[論文レビュー] Distributed Adaptive Fault-Tolerant Control of Uncertain Multi-Agent Systems

Mohsen Khalili, Xiaodong Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2015

Distributed Control Multi-Agent Systems被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、非線形で不確実なマルチエージェントシステムに対する分散型適応故障耐性制御（FTC）方式を提案する。局所的測定値と隣接エージェントの情報のみを用いて、故障検出、分離、再構成を、適応推定器と制御器を用いて実現する。主な貢献は、事前検出、検出から分離までの遅延、分離後という複数の故障モード下でも、リーダー・フォロワーの一致と閉ループ安定性を厳密に確立したことにある。

ABSTRACT

This paper presents an adaptive fault-tolerant control (FTC) scheme for a class of nonlinear uncertain multi-agent systems. A local FTC scheme is designed for each agent using local measurements and suitable information exchanged between neighboring agents. Each local FTC scheme consists of a fault diagnosis module and a reconfigurable controller module comprised of a baseline controller and two adaptive fault-tolerant controllers activated after fault detection and after fault isolation, respectively. Under certain assumptions, the closed-loop system's stability and leader-follower consensus properties are rigorously established under different modes of the FTC system, including the time-period before possible fault detection, between fault detection and possible isolation, and after fault isolation.

研究の動機と目的

• 大規模な分散型マルチエージェントシステムにおいて、非線形不確実なダイナミクスと潜在的な故障が存在する状況下でも、システムの信頼性を維持すること。
• 集中型計算と通信のオーバーヘッドを回避する分散型故障耐性制御アーキテクチャの開発。
• 局所的および隣接エージェントのデータのみを用いて、リアルタイムでの故障検出、分離、制御器再構成を実現すること。
• 検出遅延や分離の不確実性を含む複数の故障モード下でも、リーダー・フォロワーの一致と閉ループ安定性を保証すること。
• 集中型FTC手法を、不確実なダイナミクスとアクチュエータ／プロセス故障を有するリーダー・フォロワー型マルチエージェントフォーメーションに拡張すること。

提案手法

• 各エージェントは、非線形適応推定器のバンクを備えた局所的故障診断モジュールを採用する：故障検出（FDE）用の1つと、故障分離（FIE）用の複数。
• FDEは、観測器ゲイン $ h_i = 2 $ を用いた残差ベースのしきい値手法を用い、リアルタイムで異常を検出する。
• FIEは、異なるゲイン $ \lambda_i = 10 $ を有する複数の推定器を用い、残差の振るまいがしきい値と比較されることで故障タイプを分離する。
• 21個のニューロンと可変パラメータを有する径路基底関数（RBF）ニューラルネットワークは、故障検出後に未知のプロセス故障を近似する。誤差バウンドには $ \Gamma_i = 5 $ と $ \bar{\delta}_i = 1 $ を使用する。
• 再構成可能制御器は、ベースライン制御器と、故障検出および故障分離後にそれぞれ作動する2つの適応型FTC制御器を含む。適応ゲインは $ \Upsilon_i = 2 $、$ \bar{\Gamma}_i = 1 $、$ \Gamma_i = 0.2 $ である。
• 制御器再構成には、パラメータプロジェクションを用い、プロセス故障には中心 $ O_i^1 = 0.5 $、半径 $ R_i^1 = 0.5 $ を、アクチュエータ故障には中心 $ O_i^2 = -0.4 $、半径 $ R_i^2 = 0.4 $ を使用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不確実なマルチエージェントシステムにおいて、プロセス故障およびアクチュエータ故障が存在する状況下でも、分散型FTC方式がリーダー・フォロワーの一致を維持できるか。
• RQ2 集中型監視を用いずに、局所的および隣接エージェントの情報のみを用いて、故障検出と分離をどのように達成できるか。
• RQ3 故障検出と分離の間の時間遅延中でも、安定性と一致を保証する制御再構成戦略は何か。
• RQ4 適応推定器とニューラルネットワークは、未知の非線形故障ダイナミクスをどのように処理するか。
• RQ5 すべての故障モード（事前検出、検出から分離、分離後）において、閉ループ系の安定性と一致特性は何か。

主な発見

• 故障発生後1秒以内に故障検出が達成され、$ t = 5 $ 秒以降にFDEの残差がしきい値を上回ることで確認された。
• 故障分離は正常に実行された：正しい故障タイプ（プロセス故障）の残差はしきい値以下に保たれ、誤ったタイプはしきい値を超えた。これにより正確な同定が可能となった。
• 適応型FTC制御器を用いることでリーダー・フォロワーの一致が達成された。図3の追従誤差の収束がそれを裏付けている。
• FTCが存在しない場合、故障発生後に追従誤差が発散する（図4参照）ことから、本手法の必要性が確認された。
• RBFニューラルネットワークは、故障検出後に未知のプロセス故障関数を効果的に近似した。初期重みはゼロ、学習率は $ \Gamma_i = 5 $ であった。
• すべての故障モード、特に故障検出と分離の遷移期間中においても、閉ループ安定性と一致が維持された。理論的分析により厳密に確立された。