基于一致性区域的多自主体系统分布式控制研究

Cooperative control of multi-agent systems has been an emerging and active research topic in the systems and control community for the last decade. This research project intends to adopt the consensus region approach to study the consensus, distributed tracking, and contaiment control problems for multi-agent systems. For general linear and typical nonlinear multi-agent systems, distributed adaptive consensus protocols based on only the relative state and output information of neighboring agents will be designed and the robustness issues of the adaptive protocols with respect to external disturbances will be discussed. For multi-agent systems with nominal linear dynamics but subject to norm-bounded uncertainties, the notion of robust consensus region will be analyzed and the relation between the robust consensus of uncertain multi-agent systems and the H∞ consensus of nominal multi-agent systems will be investigated. For multi-agent systems with nonlinear uncertaities satisfying the matching condition, how to design distributed adaptive consensus protocols will be studied. The distributed tracking and containment problems in the presence of model uncertainties and dynamic leaders with nonzero control inputs will be addressed and distributed control laws will be designed. Furthermore, the obtained theorectical results will be applied to attitude coordination problem in satellite formation flying. The objective of this project is to establish a consensus region framework to design distributed control laws for the consensus, distributed tracking and containment problems of multi-agent systems.

多自主体系统协调控制是近十年来国际系统与控制界的一个前沿研究课题。本项目拟在一致性区域框架下深入研究多自主体系统的一致性、分布式跟踪和包含控制问题。针对线性和典型非线性多自主体系统，设计基于相对状态和输出信息的完全分布式的自适应一致性控制律，讨论自适应控制律对于外部干扰的鲁棒性；对于存在范数有界不确定性的多自主体系统，提出并分析系统的鲁棒一致性区域，揭示不确定多自主体系统的鲁棒一致性与标称多自主体系统的H∞一致性的内在关联；对于具有匹配不确定性的多自主体系统，研究分布式自适应一致性控制律的设计方法；研究自主体存在不确定性和领导者具有有界控制输入情况下的分布式跟踪和包含控制问题，给出分布式控制律的设计方法；探讨相关理论结果在卫星姿态协调控制中的实际应用。经过本项目的研究，针对多自主体系统的一致性、分布式跟踪和包含控制问题，建立基于一致性区域的分布式控制律设计框架。

本项目出色完成了研究计划所列之内容，在多自主体系统协同控制领域取得了一系列重要进展。在前期提出的一致性区域框架下，首次针对具有有向通信拓扑的一般线性多自主体系统，提出了完全分布式的、不依赖于任何全局信息的自适应协同控制律，实现了一致性、分布式跟踪、协同输出调节等问题；针对基于范数有界不确定通信网络的鲁棒一致性问题，证明了鲁棒一致性问题可以化简为一组低维子系统的同时H∞控制问题，并得到了充分和必要条件；研究了协调控制算法在无人机集群飞行中的实际应用，先后成功开展了6架和21架小型固定翼无人机编队飞行试验，实现了典型编队构型的队形保持以及快速队形变换，验证了我们所提分布式协同控制算法的有效性。.在本项目支持下，项目主持人李忠奎在控制领域重要学术期刊上发表SCI检索论文29篇(第一/通讯作者20篇)，其中控制领域顶级期刊IEEE Transactions on Automatic Control和Automatica论文9篇(第一/通讯作者6篇)。李忠奎获评为2017年度教育部青年长江学者和2018年度北京市科技新星，入选了2018年科睿唯安全球高被引科学家(Clarivate Analytics Highly Cited Researcher)。在项目执行期间，李忠奎的相关成果2015年获国家自然科学二等奖(排名三)和第四届杨嘉墀科技奖二等奖(个人奖)。