Consensus Over Switching Network Topology: Characterizing System Parameters and Joint Connectivity - Original PDF

دانلود کتاب Consensus Over Switching Network Topology: Characterizing System Parameters and Joint Connectivity - Original PDF

Author: Jiahu Qin, Qichao Ma, Huijun Gao, Wei Xing Zheng, Yu Kang

0 (0)

توضیحات کتاب :

This book aims to extend existing works on consensus of multi-agent systems systematically. The agents to be considered range from double integrators to generic linear systems. The primary goal is to explicitly characterize how agent parameters, which reflect both self-dynamics and inner coupling of each agent, and switching network topologies jointly influence the collective behaviors. A series of necessary and/or sufficient conditions for exponential consensus are derived. The contents of this book are as follows. Chapter 1 provides the background and briefly reviews the advances of consensus of multi-agent systems. Chapter 2 addresses the consensus problem of double integrators over directed switching network topologies. It is proven that exponential consensus can be secured under very mild conditions incorporating the damping gain and network topology. Chapter 3 considers generic linear systems with undirected switching network topologies. Necessary and sufficient conditions on agent parameters and connectivity of the communication graph for exponential consensus are provided. Chapter 4 furthers the study of consensus for multiple generic linear systems by considering directed switching network topologies. How agent parameters and joint connectivity work together for reaching consensus is characterized from an algebraic and geometric view. Chapter 5 extends the design and analysis methodology to containment control problem, where there exist multiple leaders. A novel analysis framework from the perspective of state transition matrix is developed. This framework relates containment to consensus and overcomes the difficulty of construction of a containment error. This book serves as a reference to the main research issues and results on consensus of multi-agent systems. Some prerequisites for reading this book include linear system theory, matrix theory, mathematics, and so on.

سرچ در وردکت | سرچ در گودریدز | سرچ در اب بوکز | سرچ در آمازون | سرچ در گوگل بوک

722 بازدید 0 خرید

ضمانت بازگشت

ضمانت بازگشت

فایل های تست شده

فایل های تست شده

پرداخت آنلاین

پرداخت آنلاین

تضمین کیفیت

تضمین کیفیت

دانلود فوری

دانلود فوری

Background During the past years, distributed coordination for networked dynamical systems has been an active area of research. This is due to the broad applications in such areas as sensor networks, smart grids, rendezvous tasks, swarming and flocking, and congestion control in communication networks. One of the critical and central problems in distributed coordination is to design a network consensus algorithm (or protocol) such that a group of agents 1 can reach consensus on the shared information. By reaching consensus, we mean that a network of agents agree on certain variables of interest, such as position, opinion or decision depending on the context. To realize consensus, each agent exchanges information with its nearest neighbors locally. In essence, such a protocol or algorithm propagates information in a diffusive way by taking weighted sums of state or output deviations as inputs. The distributed consensus protocol has been proven to work efficiently to drive all agents to reach agreement and is adopted in this book as well. In general, three factors play important roles in determining the evolution of net- worked dynamical agents, in particular whether consensus among the agents can be realized. They are (1) self-dynamics of each agent, (2) inner coupling describing how input influences state evolution, and (3) the interaction topology among the whole agents. [Refer to the distributed coordination scheme in Fig. 1.1.] It is clear that for single-integrators no self-dynamics exists. In addition, the inner coupling is an Iden- tity map. Hence, the interaction topology itself characterizes the evolution of agents. Following such an idea, the consensus for a network of single-integrators has been investigated from various perspectives. Of particular interest is the consensus over switching interaction topology, see [1–12] for example. This is motivated by the fact that in many scenarios networked systems can possess a dynamic interaction topol- ogy due to node and link failures/creations, packet-loss, asynchronous consensus, state-dependence, formation reconfiguration, evolution, and flocking.

چکیده فارسی

 

زمینه در طول سال های گذشته، هماهنگی توزیع شده برای سیستم های دینامیکی شبکه ای یک حوزه فعال تحقیقاتی بوده است. این به دلیل کاربردهای گسترده در مناطقی مانند شبکه های حسگر، شبکه های هوشمند، وظایف قرار ملاقات، ازدحام و هجوم، و کنترل ازدحام در شبکه های ارتباطی است. یکی از مشکلات اساسی و اصلی در هماهنگی توزیع شده، طراحی یک الگوریتم اجماع شبکه (یا پروتکل) به گونه ای است که گروهی از عوامل 1 بتوانند در مورد اطلاعات مشترک به توافق برسند. منظور ما از دستیابی به اجماع این است که شبکه ای از عوامل بر روی متغیرهای خاص مورد علاقه مانند موقعیت، نظر یا تصمیم بسته به زمینه توافق دارند. برای تحقق اجماع، هر عامل اطلاعات را با نزدیکترین همسایگان خود به صورت محلی مبادله می کند. در اصل، چنین پروتکل یا الگوریتمی با در نظر گرفتن مجموع وزنی انحرافات حالت یا خروجی به عنوان ورودی، اطلاعات را به روشی پراکنده منتشر می کند. پروتکل اجماع توزیع شده ثابت شده است که به طور مؤثری کار می کند تا همه عوامل را به توافق برساند و در این کتاب نیز به تصویب رسیده است. به طور کلی، سه عامل نقش مهمی در تعیین تکامل عوامل دینامیکی شبکه ای ایفا می کنند، به ویژه اینکه آیا اجماع بین عامل ها می تواند محقق شود یا خیر. آنها (1) خود پویایی هر عامل، (2) جفت درونی توصیف می کنند که چگونه ورودی بر تکامل حالت تأثیر می گذارد، و (3) توپولوژی تعامل بین کل عامل ها. [به طرح هماهنگی توزیع شده در شکل 1.1 مراجعه کنید.] واضح است که برای یکپارچه سازها هیچ خوددینامیکی وجود ندارد. علاوه بر این، جفت داخلی یک نقشه هویت است. از این رو، توپولوژی تعامل خود تکامل عوامل را مشخص می کند. به دنبال چنین ایده ای، اجماع برای شبکه ای از یکپارچه سازان از دیدگاه های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. برای مثال، اجماع بر سر توپولوژی تعامل سوئیچینگ، مورد توجه خاص است. انگیزه این امر از این واقعیت است که در بسیاری از سناریوها، سیستم‌های شبکه‌ای می‌توانند دارای توپولوژی تعاملی پویا به دلیل خرابی/ایجاد گره و پیوند، از دست دادن بسته، اجماع ناهمزمان، وابستگی به حالت، پیکربندی مجدد شکل‌گیری، تکامل، و گله شدن باشند. p>

ادامه ...

vBackground During the past years, distributed coordination for networked dynamical systems has been an active area of research. This is due to the broad applications in such areas as sensor networks, smart grids, rendezvous tasks, swarming and flocking, and congestion control in communication networks. One of the critical and central problems in distributed coordination is to design a network consensus algorithm (or protocol) such that a group of agents 1 can reach consensus on the shared information. By reaching consensus, we mean that a network of agents agree on certain variables of interest, such as position, opinion or decision depending on the context. To realize consensus, each agent exchanges information with its nearest neighbors locally. In essence, such a protocol or algorithm propagates information in a diffusive way by taking weighted sums of state or output deviations as inputs. The distributed consensus protocol has been proven to work efficiently to drive all agents to reach agreement and is adopted in this book as well. In general, three factors play important roles in determining the evolution of net- worked dynamical agents, in particular whether consensus among the agents can be realized. They are (1) self-dynamics of each agent, (2) inner coupling describing how input influences state evolution, and (3) the interaction topology among the whole agents. [Refer to the distributed coordination scheme in Fig. 1.1.] It is clear that for single-integrators no self-dynamics exists. In addition, the inner coupling is an Iden- tity map. Hence, the interaction topology itself characterizes the evolution of agents. Following such an idea, the consensus for a network of single-integrators has been investigated from various perspectives. Of particular interest is the consensus over switching interaction topology, see [1–12] for example. This is motivated by the fact that in many scenarios networked systems can possess a dynamic interaction topol- ogy due to node and link failures/creations, packet-loss, asynchronous consensus, state-dependence, formation reconfiguration, evolution, and flocking.

ادامه ...

Contents 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Outline and Overview of the Chapters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 Preliminary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.1 Digraph and Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.2 Dynamically Changing Digraph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.3 Nonnegative Matrix and M-Matrix Theory . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.4 Kronecker Product . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.5 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 Consensus of Double-Integrators over Switching Network Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1 Continuous-Time Systems with Piecewise Fixed Network Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.1 Agent Model Without/with Communication Delay . . . . . . . . 18 2.1.2 Stationary Consensus without Communication Delay . . . . . 19 2.1.3 Stationary Consensus with Communication Delay . . . . . . . . 24 2.1.4 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1.6 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2 Sampled-Data Systems with Piecewise Continuous Network Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2.1 Sampled-Data Agent Model with Nonuniform and Time-Varying Communication Delays . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.2 Graph Augmentation and Joint Connectivity . . . . . . . . . . . . . 37 2.2.3 Consensus via Product of Stochastic Matrices . . . . . . . . . . . . 41 2.2.4 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.6 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3 Asynchronous Update Systems with Piecewise Continuous Network Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3.1 Asynchronous Update Agent Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 ix x Contents 2.3.2 Consensus for Asynchronous Update . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.3.3 Consensus Analysis via Augmented Synchronous Update . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.3.4 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3 Generic Linear Systems over Undirected Network: Controllability and Connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.1 Piecewise Continuous and Balanced Network Topology . . . . . . . . . . 63 3.1.1 Network Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1.2 Weakly Connected Network Topology (WCNT) . . . . . . . . . . 65 3.1.3 WCNT with Communication Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.1.4 Repeatedly Jointly WCNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.1.5 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.1.7 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.2 Piecewise Fixed Network Topology: Necessary and Sufficient Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.2.1 Problem Reformulation and Preliminary Results . . . . . . . . . . 84 3.2.2 A Subspace Method for Consensus Analysis . . . . . . . . . . . . . 87 3.2.3 Extension to Unstable System Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.2.5 Appendix: Technical Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.3 Continuously Time-varying Network Topology via Uniform Complete Observability Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.3.1 Agent Model and Network Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.3.2 Uniform Complete Observability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.3.3 A Compact Set of Matrix-Valued Functions and Exponential Consensus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 3.3.4 Further Discussions and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 3.3.5 Appendix: Proof of Lemma 3.56 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4 Generic Linear Systems over Directed Switching Network Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.1 Discrete-Time Systems with Invertible Input Matrix . . . . . . . . . . . . . 123 4.1.1 Agent Model and Network Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.1.2 Theoretical Results and Convergence Analysis . . . . . . . . . . . 124 4.1.3 Further Analysis and Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.1.4 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.2 Continuous-Time Systems with Invertible Input Matrix . . . . . . . . . . 135 4.2.1 Agent Model and Network Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . 136 4.2.2 Theoretical Results and Convergence Analysis . . . . . . . . . . . 136 4.2.3 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Contents xi 4.3 Non-invertible Input Matrix: an Algebraic and Geometric Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 4.3.1 System Model and Preliminary Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 4.3.2 Convergence Analysis over Any Subinterval Without Connectivity Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 4.3.3 Synchronization Under Joint Connectivity Condition . . . . . . 156 4.3.4 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 4.3.5 Proof of the Main Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 4.3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 4.3.7 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 5 Extensions to Containment Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 5.1 Collective Behavior of Generic Linear Agents with Arbitrary Network Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 5.1.1 Continuous-Time Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 5.1.2 Discrete-Time Counterpart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.1.3 Application to Consensus and Containment Control . . . . . . . 192 5.1.4 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 5.1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 5.2 Output Containment Control with Fixed and Switching Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 5.2.1 Agent Model and Problem Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 5.2.2 A Necessary Condition from Internal Model Principle . . . . . 197 5.2.3 Output Containment over Fixed Network Topology . . . . . . . 200 5.2.4 Output Containment over Dynamic Network . . . . . . . . . . . . . 201 5.2.5 Optimal Model-Free Output Containment . . . . . . . . . . . . . . . 207 5.2.6 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 5.2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 5.3 Containment Control: a Novel State Transition Matrix Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 5.3.1 Agent Model and Problem Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 5.3.2 The Consensus Pattern in Multi-Leader MASs . . . . . . . . . . . 219 5.3.3 Containment of Positive Linear Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 5.3.4 Second-Order Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 5.3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

ادامه ...
برای ارسال نظر لطفا وارد شوید یا ثبت نام کنید
ادامه ...
پشتیبانی محصول

۱- در صورت داشتن هرگونه مشکلی در پرداخت، لطفا با پشتیبانی تلگرام در ارتباط باشید.

۲- برای خرید محصولات لطفا به شماره محصول و عنوان دقت کنید.

۳- شما می توانید فایلها را روی نرم افزارهای مختلف اجرا کنید(هیچگونه کد یا قفلی روی فایلها وجود ندارد).

۴- بعد از خرید، محصول مورد نظر از صفحه محصول قابل دانلود خواهد بود همچنین به ایمیل شما ارسال می شود.

۵- در صورت وجود هر مشکلی در فرایند خرید با تماس بگیرید.