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基于线性二次最优化的多智能体编队控制

Chang-bin Yu, Yin-qiu Wang, Jin-liang Shao,brad.yu@anu.edu.au,wh6508@gmail.com,jinliangshao@126.com

《信息与电子工程前沿（英文）》 2016年第17卷第2期页码 96-109 doi: 10.1631/FITEE.1500490

摘要：本文研究了三种情况下单积分器多智能体系统基于线性二次最优性能指标的编队控制问题，并设计相应的控制算法保证多智能体系统在完成编队的基础上使所定义的性能指标达到最优。方法：应用代数图论以及矩阵理论的相关知识，针对无物理耦合的多智能体系统，通过求解代数里卡蒂方程，设计智能体之间的网络连接拓扑以及局部反馈矩阵，保证多智能体系统在完成编队的同时相应的LQR指标最优。针对有物理耦合的多智能体系统，同样通过求解代数里卡蒂方程，得到相应的网络连接拓扑以及局部反馈矩阵，保证多智能体系统在完成编队的基础上使相应的LQR指标最优；针对有物理耦合但无法设计网络拓扑的多智能体系统结论：对于无物理耦合单积分器多智能体的编队问题与有物理耦合单积分器多智能体的编队问题，分别设计网络连接拓扑以及局部反馈矩阵，在多智能体系统完成编队的基础上保证相应的性能指标达到最优。对于有物理耦合但无法改变通讯网络拓扑的单积分器多智能体系统编队问题，设计最优局部反馈增益，在多智能体系统完成编队的同时保证性能指标最优。

关键词：线性二次最优；编队控制；代数里卡蒂方程；最优控制；多智能体系统

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连续非线性最优控制问题的勒让德—伽辽金逼近方法 Article

Xue-song CHEN

《信息与电子工程前沿（英文）》 2017年第18卷第10期页码 1479-1487 doi: 10.1631/FITEE.1601101

摘要：使用逼近方法获得一类连续非线性最优控制问题的近似最优解。该方法基于伽辽金逼近理论（Galerkin approximation）求解广义哈密尔顿—雅可比—贝尔曼（Hamilton-Jacobi-Bellman, GHJB）方程。勒让德—伽辽金逼近方法（GALP）尚未被用于求解连续非线性最优控制问题。由于勒让德多项式（Legendre polynomials）具有正交性，在计算函数内积时，该方法可以明显减少积分计算量。数值算例表明，按此方法获得的控制律，能够收敛到连续非线性控制系统的最优控制。

关键词：广义哈密尔顿—雅可比—贝尔曼方程；非线性最优控制；伽辽金逼近（Galerkin approximation）；勒让德多项式（Legendre polynomials）

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不确定二阶非线性多智能体系统时变编队跟踪控制 None

Jian-wen XU, Kaoru OTA, Mian-xiong DONG, An-feng LIU, Qiang LI

《信息与电子工程前沿（英文）》 2018年第19卷第12期页码 1546-1557 doi: 10.1631/FITEE.1800519

摘要：研究了含未知非线性动态和外界干扰的二阶多智能体系统时变编队跟踪控制问题。在所考虑的时变编队跟踪控制中，每个跟踪者在完成预设编队的同时，需要跟踪领导者轨迹。将未知非线性动态和外界干扰视为每个多智能体的扩张状态，并设计扩张状态观测器对扩张状态进行在线观测。在此基础上，提出基于扩张状态观测器的时变编队跟踪控制协议。理论分析表明，所设计的时变编队跟踪控制协议能够保证观测器观测误差和多智能体系统时变编队跟踪误差收敛至任意小。最后，将所设计的时变编队跟踪协议应用于无人机目标合围问题，验证了该方法的有效性。

关键词：多智能体系统；时变编队；编队跟踪；非线性动态；扩张状态观测器

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面向未知连续非线性系统的间接自适应模糊规划最优控制方法

张海运1,2,孟德远2,王进1,陆国栋1

《信息与电子工程前沿（英文）》 2021年第22卷第2期页码 141-286 doi: 10.1631/FITEE.1900610

摘要：针对动力学未知、不匹配和扰动条件下的连续非线性系统，提出一种新的间接自适应模糊规划最优控制方案。首先，建立非线性系统汉密尔顿-雅各比-贝尔曼（HJB）方程及其匹配的性能函数。与现有自适应动态规划（ADP）方法不同，在执行器-评判器架构下，所提方案采用特殊的非二次变量性能函数作为强化媒介。构造一个自适应模糊规划的评判器结构来配置性能函数的权重矩阵，以逼近和平衡非线性HJB方程。同时，设计一种并行的自组织学习技术用于自适应更新该评判器的权重。在此基础上，提出一种自适应最优反馈控制器与一个新形式的增广黎卡提方程作为执行器，实时优化模糊规划后的性能函数。通过设计上述执行器-评判器架构获得一种在线间接自适应最优控制机制，可同时实现最优成本函数和最优控制策略的连续实时自适应调整。该方法的控制收敛性和闭环稳定性得到证明和保证。

关键词：间接自适应最优控制；汉密尔顿-雅各比-贝尔曼方程；模糊规划评判器；自适应最优控制执行器；执行器-评判器架构；未知非线性系统

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火箭炮交流位置伺服系统的鲁棒最优控制

柴华伟,马大为,李志刚,乐贵高,王锋

《中国工程科学》 2007年第9卷第10期页码 83-87

摘要：

为了实现某火箭炮交流伺服系统的高速、高精度位置控制，针对实际系统中存在的转动惯量和负载力矩变化大、冲击力矩强等各种不确定因素，提出了一种鲁棒最优控制方法实验结果表明，该控制器鲁棒性强，而且具有较好的动态性能及稳态精度。

关键词：火箭炮交流位置伺服系统鲁棒控制最优控制

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基于非对称时变积分障碍李雅普诺夫函数的动态状态约束非线性系统自适应最优控制 Research Article

魏岩,郝明爽,禹鑫燚,欧林林

《信息与电子工程前沿（英文）》 2024年第25卷第6期页码 887-902 doi: 10.1631/FITEE.2300675

摘要：本文研究具有动态状态约束的非线性系统自适应最优跟踪控制问题。首先提出一种基于非对称时变积分障碍李雅普诺夫函数（ATIBLF）的积分强化学习（IRL）控制算法。在最优反步控制设计的每一步中都引入ATIBLF，以确保系统始终满足动态变化的全状态约束。每个子系统中的最优虚拟/实际控制器均用ATIBLF和自适应最优项进行分解，同时利用神经网络来近似最优代价函数梯度。根据李雅普诺夫稳定性定理，证明了闭环系统所有信号的有界性。所提出的控制方案保证了系统状态在预定义的紧集内。最后，通过仿真实验验证了本文所提方法的有效性。

关键词：状态约束；非对称时变积分障碍李雅普诺夫函数（ATIBLF）；自适应最优控制；非线性系统

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基于Lagrange方程建模的单级旋转倒立摆控制

吴爱国,张小明,张钊

《中国工程科学》 2005年第7卷第10期页码 11-15

摘要：

介绍一种新型单级旋转倒立摆系统的构成，通过对其动力学特性的分析建立了基于Lagrange方程的数学模型。在平衡点附近给出系统的线性化模型，对系统的稳定性、能控性和能观性进行了分析。利用线性二次型最优控制策略LQR方法设计了控制器，并在仿真实验和实物实验中实现了倒立摆的平衡控制。实验表明，系统稳定性好、鲁棒性较强。

关键词：旋转倒立摆 Lagrange方程最优控制策略LQR

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具有领航者的二阶非线性多智能体系统在外部扰动下的同步控制 None

Mao-bin LU, Lu LIU

《信息与电子工程前沿（英文）》 2019年第20卷第1期页码 88-94 doi: 10.1631/FITEE.1800611

摘要：研究了一类异质二阶非线性多智能体系统在外部扰动影响下的同步控制问题。其中，非线性系统允许包含可线性参数化的未知参数。提出一种新颖的分布式控制器，此控制器依赖于系统的相对状态，因此可以在多智能体系统之间没有通讯的情况下应用。通过Barbalat引理，证明此分布式控制器可求解二阶非线性多智能体系统的同步控制问题。对一组Van der Pol振荡器进行同步控制的应用示例验证了主要结果的有效性。

关键词：多智能体系统；同步控制；分布式控制

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水库调度的最优控制模型与最大值原理求解方法

方强,王先甲,方德斌

《中国工程科学》 2007年第9卷第4期页码 55-59

摘要：

试图用最优控制理论来描述水库调度的连续变化特性，建立了水库调度的最优控制模型，用最大值原理给出了水库调度最优控制的必要条件，分析了不同条件和环境下水库调度最优控制策略和具体表示形式

关键词：水利管理最优控制模型最大值原理水库调度

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输入饱和下多智能体系统最优一致性控制：一类非零和博弈方法 Research Article

李洪阳1,2,魏庆来1,2,3

《信息与电子工程前沿（英文）》 2022年第23卷第7期页码 1010-1019 doi: 10.1631/FITEE.2200010

摘要：本文针对输入饱和下的多智能体系统，提出一种最优一致性控制方法。引入多智能体博弈理论，将最优一致性控制问题转化为多智能体非零和博弈。之后，通过求解具有非二次输入能量项的耦合Hamilton–Jacobi–Bellman（HJB）方程，实现Nash平衡。提出脱策强化学习方法，在系统模型未知情况下获得Nash平衡解；引入评判神经网络和执行神经网络实现所提方法。理论分析显示迭代控制律收敛到Nash平衡。仿真实验验证了所提方法的有效性。

关键词：最优一致性控制；多智能体系统；非零和博弈；自适应动态规划；输入饱和；脱策强化学习；策略迭代

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异构多智能体系统的事件触发分布式跨维度编队控制 Research Article

魏惠敏1,彭晨1,赵敏2

《信息与电子工程前沿（英文）》 2024年第25卷第8期页码 1123-1133 doi: 10.1631/FITEE.2300627

摘要：本文研究受有限资源限制异构多智能体系统的事件触发分布式跨维度编队控制问题。中心任务是设计一个有效编队控制方案，即使在通讯受限情况下也能实现预期编队控制目标。因此，首先建立一个多维异构多智能体系统，根据智能体维度对它们进行分组。其次，为减少通信资源的过度消耗，设计一种跨维度事件触发通信方案，减少智能体之间信息交流。在设计的通信机制下，将异构多智能体编队控制问题转化为闭环误差系统渐近稳定性问题。然后，在不同维数追随者之间无通信条件下，给出设计跨维度编队控制和通信协议的准则。最后，通过一个仿真实例验证所设计编队控制协议的有效性。

关键词：异构多智能体系统；编队控制；跨维度事件触发机制

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基于分布式事件触发策略的异构非线性多智能体系统包含控制 Research Articles

孙雅妮,邹文成,郭健,向峥嵘

《信息与电子工程前沿（英文）》 2021年第22卷第1期页码 1-140 doi: 10.1631/FITEE.2000034

摘要：研究分布式事件触发策略下高阶异构非线性多智能体系统包含控制问题。为实现包含控制目标并减少智能体间的通讯损耗，采用反推控制法、李雅普诺夫函数分析法和神经网络，提出一种分布式事件触发控制策略。为避免对状态误差的连续监测，将事件触发情形的结论推广到自触发控制情形。所提控制协议和触发规则确保每个智能体的输出能在一定误差范围内收敛到有多个领导者信号组成的凸包中。此外，所有智能体都不会发生Zeno现象。最后，通过两个数值仿真案例证明所得结论的正确性。

关键词：多智能体系统；分布式事件触发控制；包含控制；异构非线性系统；Zeno现象

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考虑量化输入信号的多智能体系统自适应输出反馈编队跟踪控制 None

Jing-lin HU, Xiu-xia SUN, Lei HE, Ri LIU, Xiong-feng DENG

《信息与电子工程前沿（英文）》 2018年第19卷第9期页码 1086-1097 doi: 10.1631/FITEE.1601801

摘要：针对带有不确定性和量化输入信号的多智能体系统的编队跟踪控制问题，提出一种自适应输出反馈控制方法。利用非线性模型描述智能体系统，其中包含未知参数和不可测状态。建立一个高增益状态观测器以估测系统不可测状态。在高增益观测器和迟滞量化器基础上，设计自适应输出反馈控制方法，并确定控制系统的参数设置方法。稳定性分析证明该控制方法能使多智能体系统跟踪参考航迹并保持编队队形。同时，闭环系统中的所有信号均能保持有界。最后，仿真实验表明该控制方法的有效性。

关键词：多智能体系统；自适应输出反馈；编队跟踪；迟滞量化

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水下滑翔机航向控制 Article

You LIU, Qing SHEN, Dong-li MA, Xiang-jiang YUAN

《信息与电子工程前沿（英文）》 2017年第18卷第7期页码 898-914 doi: 10.1631/FITEE.1601735

摘要：水下滑翔机动力学特性随有效载荷及外形变化而变化，其航向控制富有挑战性。解决方法是使用在线系统辨识算法捕捉当前动力学特性，更新运动模型。为此，我们设计了一个在线多项式辨识器，不断更新当前动力学模型，同时用一个自适应模型预测控制器计算并输出最优化的控制指令。该控制器根据用户自定义的指标函数，使用二次规划方法得到最优控制指令。输入指令抑制性能一定程度上可以代表该控制器的能量消耗性能。设计师可以通过调节这两项的权重，平衡两个控制器的性能。比较二次与五次多项式模型的控制效果，发现：二次多项式模型不足以表达无人机的动力学特性，且控制结果易发生剧烈波动。硬件在环模拟以及湖试结果验证了控制器性能。

关键词：水下滑翔机；在线系统辨识；航向控制；自适应控制；最优控制；节能控制；硬件在环模拟

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间歇通信下基于采样数据的二阶多智能体系统包含控制 Research Articles

王付永1,2,刘忠信1,2,陈增强1,2

《信息与电子工程前沿（英文）》 2021年第22卷第8期页码 1059-1067 doi: 10.1631/FITEE.2000204

摘要：在间歇通信且智能体间相对速度不可测的情况下，基于采样位置数据研究了二阶多智能体系统的包含控制问题，提出一种基于间歇采样位置测量的二阶分布式包含控制器。通过分析系统控制增益、拉普拉斯矩阵特征值、采样周期和通信宽度之间的关系，得到二阶多智能体系统在间歇通信下实现包含控制的充要条件。最后，通过仿真实例验证了理论结果的正确性和有效性。

关键词：包含控制；二阶多智能体系统；采样位置数据；间歇通信；通信宽度