[论文解读] Distributed Control of Multiagent Systems under Unknown Persistent Disturbances

Tansel Yucelen, Magnus Egerstedt|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2013

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 9被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于多智能体系统的分布式控制架构，通过将标准一致性/构型控制器与一种新型积分作用控制器相结合，实现在未知持续扰动下的一致性或构型控制。该控制器利用状态误差在图拉普拉斯矩阵列空间上的局部投影，以抑制扰动，而无需知晓扰动的大小或方向，从而确保在恒定或时变扰动下，系统能够稳定收敛至期望目标，且收敛结果有界。

ABSTRACT

This paper focuses on the consensus and formation problems of multiagent systems under unknown persistent disturbances. Specifically, we propose a novel method that combines an existing consensus (or formation) algorithm with a new controller. The new controller has an integral action that produces a control input based on an error signal locally projected onto the column space of the graph Laplacian. This action allows agents to achieve a consensus or a predetermined formation objective under constant or time-varying disturbances. This study has analyzed the stability properties of this architecture and provides several illustrative examples to demonstrate the proposed approach.

研究动机与目标

• 解决多智能体系统在受到未知持续扰动时实现一致性或构型控制的挑战。
• 克服现有控制器在持续扰动下失效的局限性，因其缺乏扰动抑制能力。
• 设计一种仅需本地状态信息和邻居相对状态信息的分布式控制器。
• 确保在未知恒定或时变扰动下，系统仍能实现稳定且有界的收敛至期望的一致性或构型目标。
• 为一致性与构型问题在扰动条件下的情况提供理论稳定性分析与数值验证。

提出的方法

• 将标准一致性或构型控制器与一种新型积分作用控制器相结合，后者处理经局部投影的误差信号。
• 将误差信号定义为智能体实际状态与来自状态预测模型的预测状态之间的差值。
• 将误差信号投影到图拉普拉斯矩阵的列空间上，以消除偏差并隔离扰动影响。
• 利用投影后的误差生成控制输入，以抵消持续扰动，同时避免使状态趋于零。
• 仅使用本地信息实现控制器：每个智能体自身的状态及其与邻居的相对状态。
• 应用李雅普诺夫稳定性理论与矩阵代数，证明闭环系统的渐近稳定性和有界性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏对扰动特性先验知识的情况下，多智能体系统如何在未知持续扰动下实现一致性或构型控制？
• RQ2 何种控制架构可使分布式智能体仅利用本地信息即能抑制持续扰动？
• RQ3 将误差信号局部投影到拉普拉斯矩阵列空间上，相比标准积分控制，如何提升扰动抑制性能？
• RQ4 所提出的控制器是否能在时变扰动下确保一致或构型目标的有界、稳定收敛？
• RQ5 状态预测器在无扰动知识条件下，如何实现对误差的精确估计以支持扰动抑制？

主要发现

• 所提出的控制器成功抑制了未知恒定与时变扰动的影响，使智能体能够实现一致或构型控制。
• 稳定性分析表明，系统在恒定与时变扰动下均能实现渐近收敛至期望目标。
• 在六智能体环形图上的数值示例表明，该控制器即使在显著扰动下，仍能保持有界的控制输入，并实现一致或构型控制。
• 该控制器不会使智能体状态趋于零，从而保留了实现非零一致或构型点的能力，这对实际应用至关重要。
• 将误差信号局部投影到拉普拉斯矩阵列空间上，有效去除了误差信号中的偏差，实现了无需扰动估计的鲁棒扰动抑制。
• 理论结果通过仿真得到验证：与无积分作用的标准控制相比，添加所提控制器后系统性能显著提升。