高阶非线性多智能体系统的有限时间协调控制研究

This research proposal will focus on proposing some methods to solve the key problems in the control literature of nonlinear multi-agent systems, e.g. only local information is available, convergent rate is limited, and the effect of disturbance, etc. To this end, from the viewpoint of increasing the convergence, a distributed finite-time cooperative control method will be proposed. From the viewpoint of improving disturbance rejection property, a disturbance's precise estimate and compensation control method will be then given. Finally, a distributed finite-time disturbance active control will be developed by combining these two methods, which will offer a theoretic and technical support for high precise control in practice. The detailed research contents are summarized as follows: 1) distributed finite-time cooperative control for a class of multi-agent systems with high-order nonlinear dynamics,2) distributed finite-time disturbance active cooperative control for a class of multi-agent systems with high-order nonlinear dynamics subject to disturbance, 3) distributed finite-time attitude cooperative control for a group of flexible spacecraft, 4) distributed finite-time cooperative formation control for a group of nonholonomic mobile robots with chained structure.

本项目针对非线性多智能体系统控制领域的若干瓶颈问题（如仅局部信息可用、收敛速度的局限性和干扰的影响等），从提高系统收敛速度角度，拟提出分布式有限时间协调控制方法，从提高系统抗扰动性能角度，拟提出干扰精确估计和补偿控制方法，两种控制方法结合最终得到分布式有限时间主动抗干扰协调控制方案，为实际系统的高精度控制提供理论方法和技术支撑。具体研究内容包括：1）一类高阶非线性多智能体系统的分布式有限时间协调控制；2）一类高阶受扰非线性多智能体系统的分布式有限时间主动抗干扰控制；3）带挠性附件多空间飞行器姿态系统的分布式有限时间姿态协调控制；4）链式结构非完整约束多移动机器人系统的分布式有限时间协调编队控制。

本项目的主要目标是以多智能体系统为研究对象，基于有限时间控制方法展开协调控制理论研究。有限时间控制方法是非线性控制研究中一个重要的方向，它具有明显的优点(快速收敛性和强抗扰动性)，多智能体系统协调控制具有广泛的应用背景，如飞行器编队、机器人编队等。具体主要研究内容包括：.1）一类高阶非线性多智能体系统的有限时间协同控制；.2）一类高阶受扰非线性多智能体系统的有限时间主动抗干扰协同控制；.3）一类带挠性附件多空间飞行器系统的有限时间姿态协同控制；.4）一类非完整约束多移动机器人系统的有限时间协同编队控制。.本项目按照原定计划，顺利地完成了项目的预期目标。在以下两个方面取得重要结果：首先，理论方面，针对二阶非线性多智能体系统，分别设计了基于状态和输出反馈控制的有限时间一致性控制算法；针对高阶多智能体系统，基于递归的方法给出了高阶有限时间一致性控制算法。其次，面向实际对象的角度来看，针对刚体飞行器姿态控制系统、多个带挠性附件的飞行器、多个非完整约束移动机器人，基于系统模型特征，给出了有限时间协调控制算法；在本项目资助下发表或录用论文35 篇，期刊论文 27 篇，会议论文 8 篇，其中SCI论文24篇，包括控制领域国际顶尖期刊Automatica(3篇)，IEEE Trans. on Automatic Control（3篇），其他IEEE Trans.系列论文5篇，国际航空制导控制领域权威期刊Journal of Guidance Control and Dynamics论文1篇 。获批国家自然科学基金面上基金项目一项。复杂系统抗干扰控制理论研究成果被评为2014年教育部自然科学二等奖（本人排名第四）。. 上述多智能体系统有限时间协调控制方面取得的理论结果为多智能体系统的抗干扰控制难题提供了一条可行的途径，同时也推广了有限时间控制理论的应用范畴，有力地推动了两个方向的进一步发展，完善了相关的理论体系，同时仿真结果也从一定程度上验证了方法进一步应用的可行性。