[논문 리뷰] Cooperative Output Regulation with Mixed Time- and Event-triggered Observers.

Shimin Wang, Zhan Shu외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 05.

Distributed Control Multi-Agent Systems참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이질적인 다중 에이전트 시스템에서 협동 출력 조정을 위한 혼합 시간-및 사고기반 관측기 프레임워크를 제안한다. 리더의 상태 추정을 시간기반으로 수행하고, 팔로워 간의 통신을 사고기반으로 제어함으로써, 일반적인 양수성 및 수렴성가지 함수(지수 감쇠 포함) 하에서 제로-프리(Zeno-free) 동작과 추정 오차 수렴을 보장한다.

ABSTRACT

Mixed time- and event-triggered cooperative output regulation for heterogeneous distributed systems is investigated in this paper. A distributed observer with time-triggered observations is proposed to estimate the state of the leader, and an auxiliary observer with event-triggered communication is designed to reduce the information exchange among followers. A necessary and sufficient condition for the existence of desirable time-triggered observers is established, and delicate relationships among sampling periods, topologies, and reference signals are revealed. An event-triggering mechanism based on local sampled data is proposed to regulate the communication among agents; and the convergence of the estimation errors under the mechanism holds for a class of positive and convergent triggering functions, which include the commonly used exponential function as a special case. The mixed time- and event-triggered system naturally excludes the existence of Zeno behavior as the system updates at discrete instants. When the triggering function is bounded by exponential functions, analytical characterization of the relationship among sampling, event triggering, and inter-event behaviour is established. Finally, several examples are provided to illustrate the effectiveness and merits of the theoretical results.

연구 동기 및 목표

• 협동 출력 조정에서 효율적이고 안정적인 정보 교환을 해결하기 위해.
• 샘플링 주기를 기반으로 한 분산 관측기를 설계하여 리더 상태 추정의 수렴성을 보장하기 위해.
• 팔로워 간의 통신 부담을 줄이기 위해 사고기반 보조 관측기를 도입하기 위해.
• 샘플링 주기, 네트워크 토폴로지, 참조 신호에 기반한 시간기반 관측기 존재 조건을 규명하기 위해.
• 지역 샘플링 데이터 기반 사고 트리거링을 통해 제로-프리 행동과 추정 오차 수렴을 보장하기 위해.

제안 방법

• 고정된 샘플링 간격에서 리더 상태 추정을 위한 시간기반 분산 관측기를 설계하여 안정성과 수렴성을 확보한다.
• 필요한 경우에만 업데이트를 트리거함으로써 팔로워 간의 통신을 최소화하기 위해 보조 사고기반 관측기를 도입한다.
• 현재 상태와 과거 샘플에 기반하여 언제 전송할지를 결정하는 지역 샘플드 데이터 기반 사고 트리거링 메커니즘을 제안한다.
• 통신 빈도를 조절하기 위해 양수성 및 수렴성 함수(지수 함수 포함)를 사용하는 트리거링 메커니즘을 설계한다.
• 이론적 분석을 통해 제안된 메커니즘 하에서 추정 오차가 수렴함을 증명하며, 이산적 업데이트로 인해 제로-프리 행동이 배제됨을 입증한다.
• 지수 함수로 유계인 경우, 샘플링 주기, 사고 트리거링 행동, 트리거링 함수의 상한 사이의 분석적 관계를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적 시스템에서 리더 상태 추정을 위한 시간기반 분산 관측기 존재를 보장하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 추정 정확도와 시스템 안정성을 유지하면서 팔로워 간의 통신을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ3 관측기 설계에서 샘플링 주기, 네트워크 토폴로지, 참조 신호 동역학 간의 관계는 무엇인가?
• RQ4 사고 트리거링 메커니즘이 제로-프리 행동을 방지하고 추정 오차 수렴을 보장하는 조건은 무엇인가?
• RQ5 특히 지수형 함수를 포함한 트리거링 함수의 매개변수가 상호 이벤트 간격과 시스템 성능에 미치는 영향는 무엇인가?

주요 결과

• 샘플링 주기, 네트워크 토폴로지, 참조 신호 동역학 간의 명시적 연관성을 고려하여 시간기반 관측기 존재에 대한 필요 및 충분 조건이 확립되었다.
• 제안된 사고 트리거링 메커니즘은 일반적인 양수성 및 수렴성 트리거링 함수의 광범위한 클래스에서 추정 오차 수렴을 보장한다.
• 시스템은 항상 이산적 시간점에서만 업데이트되기 때문에, 조밀한 사고 트리거링 조건 하에서도 자연스럽게 제로-프리 행동이 배제된다.
• 트리거링 함수가 지수 함수로 유계일 경우, 샘플링 주기 및 시스템 매개변수와의 관계에서 상호 이벤트 간격을 분석적으로 기술할 수 있다.
• 이론적 분석을 통해 혼합 시간-및 사고기반 프레임워크가 통신을 줄이며 시스템 안정성과 추정 정확도를 유지함을 확인하였다.
• 수치 예제를 통해 제안된 방법이 통신을 줄이면서도 수렴성을 보장하는 데 효과적임을 입증하였다.