時延多智能體系統的協調控制（簡體書）

多智能體系統的協調控制問題是現代控制領域的一個研究熱點， 本書主要圍繞時延多智能體系統的包容控制問題， 介紹了連續時間、離散時間、非線性、一般線性等模型的多智能體系統的包容控制協議設計、系統的穩定性分析， 給出了系統實現包容控制在網絡拓撲、控制參數、時間延遲等方面需要滿足的條件。另外， 本書還研究了異質多智能體系統的協調控制和基於異構網絡的二階多智能體系統的包容控制等問題。本書是作者在密切跟蹤該領域研究成果的基礎上進行深入研究的結果，是一本全面論述時延多智能體系統協調控制的書籍。全書圖文並茂， 深入淺出， 理論分析與實驗仿真相結合， 可讀性強。本書可作為控制理論、信息工程、計算機科學與技術等相關專業的高年級本科生、研究生的教學參考用書，也可以作為關注多智能體系統協調控制理論與實踐的研究者的參考用書。

李勃，男，山東龍口市人。1990-1994年就讀山東工業大學計算機學院；2003-2006年在山東大學攻讀計算機系統結構專業碩士學位；2013-2016在南開大學計算機與控制學院攻讀博士學位。

計算機技術的突飛猛進為人類帶來了大量的智能設備， 通信技
術的發展使得信息交流變得高效。隨著單個設備能力的提升變得越
來越困難、代價越來越高， 模擬自然和人類社會群體合作方式的多
智能體系統在近幾十年內迅速成為控制理論領域的研究熱點。由多
個性價比較高的智能體設備協調、合作完成複雜任務， 相比完成同
樣任務的單系統，具有成本低廉、靈活多樣、魯棒的優勢，在工業、
航天、社會生活等領域有巨大的應用前景。多智能體系統的研究從
無領導者的一致性問題發展到單一領導者的跟蹤、多領導者的包容
控制問題， 智能體之間的控制關係逐步變化。智能體間協調時的信
息交流必然存在通信時延， 因此考慮通信時延的多智能體系統的包
容控制問題具有實際的應用價值。圍繞此問題， 本書研究了在通信
時延情況下多種系統模型的包容控制問題。
多智能體系統根據智能體的動態特性、系統通信網絡拓撲等因
素可分為很多類型， 研究不同類型的系統控制均有現實意義。本書
的研究從假設多智能體系統網絡拓撲結構不變、智能體間通信時延
是固定值且領導者是靜態的簡單情況入手， 分別研究了一階、二階
和分數階帶時延的連續時間多智能體系統的包容控制問題。對一階
和二階系統， 在無向網絡拓撲和有向網絡拓撲兩種情況下， 分別給
出了使得系統實現包容控制目標， 固定時延需要滿足的充分必要條
件； 對分數階系統， 用圓盤定理估計得到了時延需要滿足的充分條
件。在假設不變的前提下， 以離散時間系統為研究對象， 分別研究
了無向網絡拓撲、有向網絡拓撲情況；對固定無向網絡拓撲情況，給
出了時延需要滿足的充分條件；對固定有向網絡拓撲情況，設計了兩
個控制協議，在時延有界的前提下就可以實現系統的包容控制；對切
換網絡拓撲情況，給出了系統實現包容控制需要滿足的（LMI）條件。
對非線性多智能體系統的包容控制問題的研究， 分別考慮智能
體間存在固定通信時延和時變通信時延兩種情況， 使用李雅普諾夫
方法分析， 得到了時延非線性多智能體系統實現包容控制所要滿足
的LMI 形式的充分條件。對一般線性多智能體系統，在考慮智能體
間通信時延的情況下，領導者具有固有的動態性，屬￿動態領導者，
應用李雅普諾夫方法， 分別研究了基於狀態反饋和基於狀態觀測器
這兩種情況， 給出實現系統包容控制的充分條件； 另外， 對考慮時
延的一般線性系統的一種特殊包容控制問題―輸出包容控制進行
研究， 得到了系統實現輸出包容的充分條件。
對異質系統的研究分別考慮了智能體異質（ 不同階、不同動態
等） 和異構網絡拓撲兩種情況。本書在每個問題的研究過程中， 遵
循控制系統的規律， 包含問題抽象、模型構建、控制協議設計、系
統穩定性分析、仿真實驗驗證等一系列嚴謹的過程， 對時延多智能
體系統的包容控制研究具有一定的借鑒意義。全書共8 章， 其中，
第1 章由李勃、耿華合作完成，第2～ 6 章、第8 章由李勃撰寫，第
7 章由耿華撰寫。在撰寫過程中， 本書參考且引用了國內外有關控
制理論、多智能體協調控制等方面的大量文獻， 在此向相關作者表
示衷心感謝。
本書的出版得到了魯東大學博士啟動項目（ LB2017029） 的資
助。另外， 本書的編寫還得到了魯東大學的楊洪勇教授、蘇慶堂副
教授， 南開大學的陳增強教授、劉忠信教授和張春燕副教授的大力
支持和幫助， 在此對他們表示衷心感謝。
特別感謝電子工業出版社， 感謝責任編輯和其他參與本書出版
工作的各位老師， 他們為本書的順利出版付出了辛勤勞動。
由於作者水平有限， 書中不足之處在所難免， 懇請廣大讀者批
評指正。
作者郵箱： libo31680@163.com。
作 者

第1 章 緒論····························································· 1
1.1 多智能體系統簡介··············································· 2
1.1.1 多智能體系統的定義····································· 2
1.1.2 多智能體系統的研究背景、意義······················· 4
1.2 多智能體系統控制的研究現狀································· 6
1.2.1 多智能體系統一致性控制問題研究現狀·············· 6
1.2.2 多智能體系統包容控制問題研究現狀··············· 15
1.3 本書的研究內容················································ 18
1.3.1 本書主要研究內容介紹································ 18
1.3.2 本書章節安排··········································· 19
第2 章 相關知識···················································· 22
2.1 代數圖論························································· 22
2.2 相關數學工具··················································· 25
2.3 系統的穩定性理論············································· 27
2.4 分數階微積分相關知識······································· 29
2.5 包容控制相關定義············································· 30
第3 章 時延連續時間多智能體系統的包容控制··········· 32
3.1 研究背景························································· 32
3.2 問題描述························································· 33
3.3 基於無向網絡拓撲的時延系統的包容控制················· 35
3.4 基於有向網絡拓撲的時延系統的包容控制················· 38
3.4.1 帶時延的一階系統的包容控制························ 38
3.4.2 帶時延的二階系統的包容控制························ 43
3.4.3 帶時延的分數階系統的包容控制····················· 49
3.5 數值仿真························································· 54
3.5.1 實驗1 ····················································· 54
3.5.2 實驗2 ····················································· 57
3.5.3 實驗3 ····················································· 60
3.5.4 實驗4 ····················································· 62
3.5.5 實驗5 ····················································· 65
3.6 本章小結························································· 68
第4 章 時延離散時間多智能體系統的包容控制··········· 70
4.1 研究背景························································· 70
4.2 問題描述························································· 71
4.3 基於無向網絡拓撲時延離散系統的包容控制·············· 71
4.4 基於有向網絡拓撲時延離散系統的包容控制·············· 74
4.4.1 一階離散系統的情形··································· 74
4.4.2 二階離散系統的情形··································· 80
4.5 基於切換拓撲的時延離散系統的包容控制················· 87
4.6 數值仿真························································· 90
4.6.1 實驗1 ····················································· 90
4.6.2 實驗2 ····················································· 92
4.6.3 實驗3 ····················································· 94
4.7 本章小結························································· 97
第5 章 時延非線性多智能體系統的包容控制·············· 99
5.1 研究背景························································· 99
5.2 問題描述························································ 100
5.3 主要結果························································ 101
5.3.1 固定時延非線性多智能體系統的包容控制········ 101
5.3.2 時變時延非線性多智能體系統的包容控制········ 107
5.4 數值仿真························································ 111
5.4.1 實驗1 ···················································· 111
5.4.2 實驗2 ···················································· 115
5.4.3 實驗3 ···················································· 116
5.5 本章小結························································ 117
第6 章 線性動態時延多智能體系統的包容控制·········· 118
6.1 研究背景························································ 118
6.2 問題描述························································ 119
6.3 時延線性系統的分布式包容控制··························· 120
6.4 基於狀態觀測器的時延線性系統的包容控制············· 125
6.5 時延線性系統的輸出包容控制······························ 128
6.6 數值仿真························································ 133
6.6.1 實驗1 ···················································· 134
6.6.2 實驗2 ···················································· 137
6.6.3 實驗3 ···················································· 140
6.6.4 實驗4 ···················································· 142
6.7 本章小結························································ 145
第7 章 異質多智能體系統的協調控制··················· 147
7.1 研究背景························································ 147
7.2 混合階異質多智能體系統問題描述························ 152
7.3 混合階異質多智能體系