智能制造關鍵技術與工業應用叢書--多智能體協同控制及應用

本書主要介紹多智能體系統協同控制的基本理論、控制方法和應用，主要包括四大主題：緒論（多智能體研究的概述、背景和淵源）、相關數學基礎（多智能體研究的理論基礎）、協同控制理論（介紹固定拓撲下線性多智能體系統、切換拓撲下線性多智能體系統等多種常用而主要的多智能體系統的協同控制方法）、協同控制應用（在無人艇、多無人機、多移動機器人、智能微電網等多個領域的應用）。本書有以下兩大特色： （1）作為一本專業書籍，十分注重敘述方式的由淺入深、內容邏輯的循序漸進。作者期望用易于初學者接受、理解、消化的方式使讀者逐步深入學習，進而全面深入地掌握多智能協同控制的基本理論和基本方法，切實為讀者提供系統全面、有實用價值的參考。 （2）本書第2章至第4章屬于理論基礎，其余各個章節的內容具有一定的獨立性，讀者可以有針對性地進行深入研究，或者選取教學內容。

多智能體協同控制問題日漸成為許多專家、學者們研究的焦點，解決該問題的思路與方法在實際生產、生活中的應用越來越廣泛。就多智能體系統協同控制而言，其內涵豐富，是多學科交叉、融合的產物，因此想要入門或者進一步研究，需要研究者們扎實掌握如圖論、矩陣理論與線性系統理論等諸多相關學科理論知識。此外，由于多無人機、多無人艇和多無人車等實際系統的控制都可以轉化為多智能體系統控制的問題，因此注重理論與實際應用相結合的讀者還需要具備一定的數學分析及建模等基礎知識。綜上可知，多智能體協同控制問題涉及的其他領域或學科范圍較廣泛，入門要求較高，但是一旦在該方向上取得成果，則對于在理論上推進各學科融合，在實際工程中提高相應系統工作效率等均具有重要意義?？梢灶A見的是，隨著智能單體發展日趨完善及其使用逐漸普及，在未來相當長的一段時間里，該理論將廣泛而深刻地影響如農業、交通、運輸等諸多領域，因此多智能體協同控制理論具備極高的研究價值和發展意義。
筆者團隊在從事多智能體系統控制、線性/非線性系統控制及應用等諸多課題的長期科學研究中，深刻了解并感受到多智能體協同控制理論給人們生活方式帶來的改變與提升，同時該理論的發展對促進學科融合和發展同樣有著巨大意義。與此同時，筆者團隊意識到如今國內外均缺少較為全面系統、高質量地介紹多智能體協同控制理論的書籍。倘若每個希望了解多智能體協同控制理論的研究者在起步時都需逐一翻閱浩如煙海的相關成果文獻，而無法高效而全面地對該理論有一個整體的把握，這將是一個消磨研究者興趣、消耗研究者大量時間而收效甚微的過程，這催發了筆者團隊編寫本書的意愿。筆者團隊希望編撰出一本能夠包含當前多智能系統協同控制理論的典型及主要研究和發展方向的指南及入門類學習書籍，幫助那些對多智能體系統協同控制理論充滿興趣、想要全面了解該理論內容并從中選取適合自己研究方向的讀者們梳理多智能體協同控制理論主體脈絡并了解各子問題的典型處理方法，通過仿真結果圖，直觀地理解各個控制方案的特點。
本書共有17章，主要內容涵蓋多智能體系統及其協同控制發展歷程（第1章）；多智能體協同控制理論基礎知識（第2章）；多智能體協同控制理論及其應用的細分方向（第3～13章）；多智能體協同控制理論在具體工程案例上的應用（第14～17章）。
本書試圖在以下方面形成特點：
（1）追求選材深度和廣度，力求充分體現內容的全面性和先進性。本書充分考慮了參考材料的語言表達、貢獻大小以及是否容易理解等多方面因素，盡量選取既能夠體現該類（細分問題）的控制算法特點，同時文字和語言又不晦澀難懂的材料作為參考。與此同時，本書中部分章節內容如網絡化多智能體系統的協同控制（第9章）、多智能體系統的優化協同控制（第11章）、智能微電網的分布式協同控制（第17章）等，均為近幾年才受到人們廣泛關注的較為新穎的類別。
（2）突出理論與實際相結合，強調理論到實踐的可轉化性。盡管多智能體系統的許多控制方案和思想目前還沒有大規模應用于實際的生產生活中，但是為了盡可能表現這些控制方法的實用性，筆者團隊對各章介紹的算法都逐一進行了較為精確的仿真，并將仿真結果圖展示給讀者。此外，在本書的最后四章中，筆者團隊專門選擇了多無人艇、（多）四旋翼無人機、多移動機器人及智能微電網四類多智能體系統作為特定的研究對象，應用相關的控制算法對其進行編隊或協同控制，同樣意在體現多智能體協同控制理論的實用性。
（3）強調培養自主思考意識和創新思維。本書在介紹算法時以典型的多智能體系統協同控制細分問題為分類依據進行章節劃分，實際上許多章節研究的問題可以融合成為一個新的研究方向，因此讀者在學習本書時可以積極思考哪些章節研究的問題可以融合并創新，從而引導讀者更深入地了解多智能體系統協同控制理論。
在本書的編寫過程中，得到了南京理工大學鄒文成、溫州大學黃世沛、中國計量大學毛駿、南京鐵道職業技術學院馮再勇（南京理工大學博士后）等的支持和指導，也得到了筆者所在研究團隊許多研究生的支持，如陳晨、張燕、金東洋、張海英、鄭蓀禹、李平川、文曉、高星宇、邱星星、劉小楠、吳婷、叢茂杰、朱靜怡、魯繼承等，他們幫助收集并整理了大量文獻資料，在此感謝他們為本書所提供的各種幫助及所做出的貢獻。另外，在編撰本書的過程中參閱了大量的論著與文獻，主要部分已列入了參考文獻中，在此也對參考文獻的作者表示衷心的感謝。
本書由南京理工大學向崢嶸教授和陸軍工程大學王榮浩教授主持編寫。本書的研究工作得到了國家自然科學基金項目“切換非線性系統的采樣控制及應用研究”（編號61873128），“切換非線性系統的優化控制及其在水空兩棲航行器中的應用”（編號62373191），“非結構化環境下隨機切換多智能體基于虛擬化配置的事件觸發協同控制”（編號62173341），江蘇省自然科學基金項目“基于采樣數據的異步切換系統有限時間控制及在變拓撲多智能體協同中的應用”（編號BK20231487），以及“江蘇省高校青藍工程中青年學術帶頭人培養項目”（2021 年），“江蘇省高職院校教師專業帶頭人高端研修項目”（2022 年）的支持，在此表示衷心的感謝。
限于筆者學識和經驗，書中難免會出現不足之處，敬請廣大讀者批評指正。

向崢嶸
2023 年9 月于南京理工大學

向崢嶸，男，南京理工大學教授、博導，多年來，一直從事控制科學與工程領域的教學和科研工作。教學上，主要承擔了自動化專業，自動控制理論等本科生專業基礎課程，以及線性系統、非線性系統等，控制類碩士和博士研究生專業課程的教學工作?？蒲蟹矫?，長期圍繞：(1) 多智能體系統的協同控制；(2) 復雜工業系統的建模及優化控制； (3) 非線性系統控制；(4) 切換系統的控制理論及應用等主題開展研究工作。圍繞上述主題，已經主持國家自然科學基金3項，江蘇省自然科學基金多項，南京理工大學科研發展基金3項，并承擔多項國家自然科學基金及國防預研基金等研究任務。目前正在主持科研項目：1.國家自然科學基金“切換非線性系統的采樣控制及應用研究”(編號：61873128, 經費61萬）；2.江蘇省重點研發計劃" 智能陪護機器人定位導航系統研發" (編號：BE2018004, 經費400萬）。

本書旨在盡可能系統而全面地向讀者展示多智能體協同控制相關的內容。首先簡要且清晰地介紹了學習多智能體協同控制必備的知識，包含圖論、矩陣理論和Lyapunov穩定性理論等，從第3章開始直至第17章，分別介紹了經典或熱門的多智能體系統協同控制問題，其中第3～13章所介紹的控制方案適用范圍較廣，而第14～17章則分別以具體的實際系統為例，介紹了常見多智能體系統協同控制方法。本書在編寫時盡量避免章節之間的交叉，因此讀者可根據興趣或需求閱讀部分章節，但并不會影響其對相關控制思想的學習和理解。
本書可供人工智能、智能制造、自動化、航空航天、兵器科學與技術、應用數學等相關學科領域的高年級本科生和碩士、博士研究生閱讀使用，也可供理工類相關領域的科研工作者和工程技術人員參考。

第1章緒論001
1.1概述001
1.2多智能體系統簡介002
1.3多智能體系統的特點和基本問題003
1.3.1多智能體系統的特點003
1.3.2多智能體系統研究的基本問題004
1.4國內外研究現狀006

第2章基礎知識010
2.1圖論基礎010
2.1.1基本概念010
2.1.2拉普拉斯矩陣的定義及其性質015
2.2矩陣理論知識016
2.3Lyapunov 穩定性018

第3章固定拓撲情況下線性多智能體系統的協同控制021
3.1問題描述022
3.2協議設計023
3.2.1無向圖的情形023
3.2.2有向圖的情形024
3.3仿真示例027
3.3.1無向圖情形027
3.3.2有向圖情形028
3.4本章小結029

第4章切換拓撲情況下線性多智能體系統的協同控制030
4.1問題描述032
4.2協議設計032
4.2.1無向圖的情形032
4.2.2有向圖的情形033
4.3一致性分析033
4.4編隊控制035
4.5本章小結039

第5章切換多智能體系統的協同控制040
5.1線性切換多智能體系統041
5.1.1問題描述041
5.1.2協議設計042
5.1.3一致性分析044
5.1.4編隊控制045
5.2非線性切換多智能體系統045
5.2.1問題描述045
5.2.2協議設計046
5.2.3一致性分析050
5.2.4編隊控制050
5.3本章小結053

第6章具有輸入延遲的多智能體系統協同控制054
6.1問題描述056
6.2主要結果056
6.3仿真結果065
6.4本章小結068

第7章具有測量噪聲的多智能體系統協同控制069
7.1無領導者多智能體系統071
7.1.1問題描述071
7.1.2協議設計072
7.1.3一致性分析073
7.1.4編隊控制074
7.1.5仿真示例078
7.2領導-跟隨多智能體系統080
7.2.1問題描述080
7.2.2協議設計081
7.2.3一致性分析082
7.2.4編隊控制084
7.2.5仿真示例088
7.3本章小結090

第8章基于采樣數據的多智能體系統協同控制092
8.1概述092
8.2問題描述093
8.3基于采樣數據的多智能體時間觸發控制094
8.3.1時間觸發一致性控制094
8.3.2一致性分析095
8.3.3時間觸發編隊控制097
8.4基于采樣數據的多智能體事件觸發控制098
8.4.1事件觸發一致性控制098
8.4.2一致性分析099
8.4.3事件觸發編隊控制101
8.5仿真實驗103
8.6本章小結106

第9章網絡化多智能體系統的協同控制107
9.1具有時延丟包的多智能體系統107
9.1.1問題描述108
9.1.2協議設計109
9.1.3一致性分析110
9.1.4編隊控制113
9.2網絡攻擊下的多智能體系統116
9.2.1問題描述119
9.2.2協議設計120
9.2.3一致性分析123
9.2.4編隊控制124
9.3本章小結127

第10章帶有避障功能的多智能體協同控制129
10.1概述129
10.2問題描述131
10.3主要結果134
10.4仿真結果141
10.5本章小結144

第11章多智能體系統的優化協同控制145
11.1概述145
11.2問題描述147
11.2.1多智能體系統動態147
11.2.2鄰接跟蹤誤差系統動態147
11.3圖形博弈和納什均衡148
11.3.1圖形博弈問題149
11.3.2納什均衡149
11.4最優性分析和穩定性分析150
11.4.1耦合貝爾曼方程150
11.4.2圖形博弈的穩定性和納什均衡解151
11.5圖形博弈問題的ADP 迭代算法153
11.5.1值迭代ADP 算法153
11.5.2收斂性分析153
11.5.3神經網絡Actor-Critic 結構156
11.6仿真實驗158
11.7本章小結161

第12章多智能體系統的有限時間協同控制162
12.1問題描述164
12.2有限時間一致性協議設計169
12.2.1無向圖情形169
12.2.2有向圖情形172
12.3一致性分析173
12.4編隊控制174
12.5仿真示例177
12.6本章小結180

第13章分數階多智能體系統的協同控制182
13.1概述182
13.2預備知識和問題描述184
13.2.1預備知識184
13.2.2問題描述186
13.3一致性分析187
13.4仿真實例195
13.5本章小結197

第14章多無人艇的編隊控制198
14.1概述198
14.2問題描述199
14.2.1圖論知識199
14.2.2有限時間穩定性理論200
14.2.3多無人艇動力學模型201
14.3協議設計202
14.4一致性分析207
14.5仿真結果及分析210
14.6本章小結214

第15章四旋翼無人機的編隊控制215
15.1概述215
15.2預備知識和問題描述217
15.3控制器設計219
15.4仿真示例225
15.5本章小結230

第16章多移動機器人的編隊控制231
16.1概述231
16.2多移動機器人模型232
16.3控制器設計233
16.3.1非完整動力學模型233
16.3.2完整動力學模型234
16.3.3基于模型的控制236
16.3.4自適應控制238
16.4仿真239
16.5本章小結241

第17章智能微電網的分布式協同控制242
17.1智能微電網發展概況242
17.2問題描述243
17.3微電網多智能體系統基礎理論244
17.3.1微電網中Agent 的概念244
17.3.2微電網中MAS 的體系結構245
17.4微電網分布式協同控制246
17.4.1微電網逆變器的基本控制策略246
17.4.2微電網的控制結構247
17.4.3分布式電源的動態模型249
17.4.4微電網分布式協同控制策略252
17.5本章小結255

參考文獻256