Geri Dön

Cooperative control of multi-agent system under time delay

Çok ajanlı sistemlerin zaman gecikmesi altında eş zamanlı kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 900898
  2. Yazar: ŞİRİN AKKAYA
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Mekatronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Computer Engineering and Computer Science and Control, Mechatronics Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 221

Özet

Bu doktora çalışmasında, çok ajanlı sistemler uygulamada en çok karşılaşılan iki örnek model kullanılarak detaylı olarak incelenmiştir. Son yıllarda ulaşım sorunları sosyal, çevresel ve ekonomik problemlerden dolayı tüm dünyada büyük ilgi görmektedir. Akıllı ulaşım sistemleri, ulaşım endüstrisine güvenlik, verimlilik ve tam otomasyon getirecek popüler konulardan biridir. Araç müfreze konsepti, bağlı araçların yerleşik sensörler, araçtan araca (V2V) ve araçtan altyapıya (V2I) iletişim kullanarak ortak kontrolünü amaçlayan umut vaat eden teknolojilerden biridir. Bağlantılı araçların ana amaçlarından biri, istenen referans hızı korurken sabit araçlar arası mesafe ile dizideki araçların boylamsal hareketlerini koordine etmektir. Bu teknikte, her araç, yerleşik sensörler ve/veya V2V iletişimleri aracılığıyla komşu bilgileri alır. Bu bilgiler kullanılarak gerekli kontrol sinyalleri üretilir. Uyarlanabilir hız sabitleyici (ACC) ve gelişmiş versiyonu işbirlikçi uyarlanabilir hız sabitleyici (CACC) biçimi, araç takım oluşturma sistemlerinde iyi bilinen metodolojilerdir. Birbirleriyle V2V veya V2I kullanarak haberleşen bağlantılı araçlar analiz edilirken, sistemin doğal yapısından kaynaklanan gecikme, paket kayıpları, bağlantı problemleri gibi etkenlerin iletişimin sınırlandırılması kaçınılmazdır. Bu gibi durumlarda, zaman gecikmesi takım oluşturma sisteminin performansını düşürebileceğinden ve hatta araç dizisinin kararsızlığına neden olabileceğinden, sistem performansını değerlendirmek için gecikmeye bağlı kararlılık koşulları detaylıca incelenmelidir. Bu bilgiler ışığında seçilen ilk örnek model araç müfreze sistemleridir (vehicular platooning systems). Bu sistemler çok ajanlı sistemler açısından zaman gecikmesi olmadığı durumda, giriş ve iletişim gecikmeleri varlığında gecikmeye bağlı kararlılık koşulları elde edilerek incelenmiştir. Seçilen ikinci örnek model ise insansız hava araçlarının eş zamanlı kontrol problemidir. Çoklu insansız hava araçları (İHA) sistemlerinin oluşum kontrolü, hedef arama ve yer belirleme, gözetleme ve keşif, radyasyon tespiti ve kontur haritalama gibi hem sivil hem de askeri alanlardaki büyük ölçüde potansiyel uygulamaları nedeniyle büyük ilgi çekmiştir. İkinci bölümünde, çalışmanın geri kalanının daha iyi anlaşılması için bazı temel bilgilerin verilmesi amaçlanmıştır. Çok ajanlı sistemlerin modellenmesinda kullanılan çizgi kuramı (graph theory) ile ilgili temel bilgiler verildikten sonra doğrusal cebir ve sistem teorisi hakkında kullanılan yaklaşımlar tanıtılmıştır. Daha sonra zaman gecikmeli sistemlere giriş yapılmış ve çalışmanın omurgasını oluşturan“Cluster Treatment of Characteristic Roots”paradigmasının oluşturulmasında bu zamana kadar literatürde var olan yöntemler anlatılmıştır. Bu çalışmada bu metodun oluşturulmasında Bezout matrisi tabanlı yeni bir yaklaşım önerilmiş ve bu yaklaşımın çok ajanlı sistemlere nasıl ıugulanacağı anlatılmıştır. Bu bölümün sonunda uygulama alanı olarak seçilen araç müfreze sistemlerinin ve insansız hava araçlarının oluşum uçuşlarının çok ajanlı sistemler açısından ajan modellerinin nasıl oluşturulduğu açıklanmıştır. Her iki sistem için de (araçların boylamsal modeli ve insansız hava araçlarının basitleştirilmiş modeli) literatürde edinilen bilgiler ve çalışmanın ilerleyişindeki çıkarımlar sonucu doğrusal modellerin yeterli olacağı görülmüş ve doğrusal olmayan modeller geribeslemeli doğrusallaştırma (feedback linearization) metodu ile doğrusallaştırılmıştır. Üçüncü bölümde, ajan dinemiklari elde edilen sistemlere durum geri beslemeli temelli ayrık kontrolcü yapıları önerilmiştir ve analiz, araçlar arasındaki mesafenin değişmediği (constant policy) ve sistemdeki ajanların hızlarına göre değiştiği(time headway policy) olmak üzere iki farklı yaklaşım altında değerlendirilmiştir. Öncelikle zaman gecikmesi ihmal edilmş ve Laplacian matrisinin yapısına göre sistemi kararlı yapan kontrolcü katsayıları araştırılmıştır. Laplacian matrisinin özdeğerlerinin gerçek olduğı durumda tüm sistemi ifade eden karakteristik denklem faktörlerine ayrıştırıldığı için sistemi kararlı yapan kazançarın sınırları Routh tablosu yöntemi ile elde edilmiştir. Laplacian matrisinin özdeğerlerinin complex olduğu durumda ise sistemi kararlı yapan kontrolcü kazançları doğrusal matrix eşitsizliği (LMI) çözümleri ile elde edilmiştir. Sistemde tek bir zaman gecikmesi olduğu durumda karakteristik denklemin faktörlerine ayrıştığı durumlarda her bir faktörün zaman gecikmesine bağlı kararlıkık sınırları elde edilmiş ve bunların kesişimi tüm sistemin kararlılık sınırını oluşturmuştur. Her bir faktörün zaman gecikmesi altında kararlılık sınınırı elde ederken literatürde var olan CTCR yöntemleri kullanılmış ve sonuç olarak neden yeni bir yaklaşım önerme ihtiyacı duyulduğu anlatılmıştır. Sistemde hem giriş hem de iletişim gecikmesi olduğu durumda ise (multiple time delay) karakteristik denklem faktörlerine ayrışmadığı için önerilen Bezout matrisi tabanlı CTCR metodu kullanılmış ve zaman gecikmelerine bağlı kararlılık sınırı oluşturulmuştur. Bu bölümde elde edilen zaman gecikmeli sistemler literatürde geciktirilmiş zaman gecikmesi (retarded-time delay) yapısındadır. Dördüncü bölümde sisteme oransal-integral-türevsel (PID) kontrolcü yapısı önerilmiştir. Bu kontrolcü yapısının seçilmesinin temel nedeni literatürde ve gerçek uygulamalarda en sık karşılaşılan yapılardan biri olmasıdır. Bu durumda en genel yaklaşımla Laplacian matrisinin özdeğerlerinin karmaşık olduğu düşünülüp analiz yapılmıştır. Sistemin kararlılık analizi zaman gecikmesinin ihmal edildiği ve tek bir zaman gecikmesi olduğu durumlar için ayrı ayrı incelenmiştir. Zaman gecikmesinin ihmal edildiği durumda eşzamanlı kontrol problemi bazı matris dönüşümleri yardımıyla doğrusal kararlılık problemine dönüştürülmüştür. Bir Lyapunov fonksiyonu oluşturularak, denetleyici protokolünün kazanç matrisleri doğrusal matris eşitsizliğine yardımıyla elde edilmiştir. Ancak zaman gecikmesinin varlığında sistemin kararlılığını etkileyen baskın unsur gecikme değeridir. Stabilite duruşu ise zaman gecikmesine dayalı stabilite analiz yöntemi yardımıyla araştırılmalıdır. Önerilen PID tabanlı kooperatif kontrol probleminde tek bir zaman gecikmesi ele alınmıştır. Ayrıca, kapalı çevrim sistemin yapısı, nötral tip bir zaman geciktirme sistemini temsil eder. Ayrıca, zaman gecikmesi altında sistemin kararlı duruşunu elde etmek için Kronecker çarpma ve temel dönüşüm tabanlı CTCR yöntemi kullanılmıştır. Beşinci bölümde elde edilen teorik çalışmalar ve simülasyon sonuçları değerledirilerek gerçek zamanlı uygulama yapılmıştır. Bu bölümde, araç konvoy sistemi için endüstriyel denetleyici tabanlı gerçek zamanlı bir simülasyon önerilmiştir. Bu gerçek zamanlı simülasyon sistemi, önerilen yöntemin doğruluğunu ve güvenilirliğini doğrulamak için bir platform sağlar. Burada, her araç modeli ve önerilen kontrol protokolü bir endüstriyel kontrolörde kodlanmıştır. Denetleyiciler birbirleriyle Ethernet/IP ağı aracılığıyla iletişim kurar. EtherNet/IP ağı, standart Ethernet iletişim ürünlerini kullanarak gerçek zamanlı kontrol, usta/çırak (master/slave) mesajlaşma, bilgi alışverişi ve genel mesajlaşma sağlar. Bu gerçek zamanlı simülasyon için Allen Bradley endüstriyel otomasyon ürünleri kullanılmıştır. Son bölümde çalışmanın sonuçları, literatüre katkıları özetlenmiş ve gelecek çalışmalar için önerilere yer verilmiştir.

Özet (Çeviri)

In this Ph.D. dissertation, multi-agent systems are studied in detail using two of the most common examples in practice, which are vehicle platooning systems and formation control of unmanned aerial vehicles. For a better understanding of the study, some basic information such as graph theory, matrix theory, and time-delayed systems are given. Then, the“Cluster Treatment of Characteristic Roots”paradigm, which forms the backbone of the study, is explained, and the existing methods in the literature have been explained. In this study, a new Bezout Resultant matrix-based CTCR method has been proposed, and the steps of the algorithm are explained via simulation examples in detail. The main advantage of the proposed method is that it provides computational convenience for the time-delayed systems in which the degree of characteristic equation is relatively large and not decomposed into factors in obtaining the stability posture of the system in terms of time delay. First, the distributed controller algorithm is selected as the state feedback controller. The closed-loop system matrix is constructed for the cases with and without time delay. The controller coefficients that make the system stable are obtained by using the Routh table and Lyapunov-based methods for the case where the time delay is neglected. However, in the presence of delay, the system is converted into retarded time delay system, and the stability posture is obtained with CTCR methods for single and multiple time delays. Morover, the formation geometry between vehicles is considered as constant policy and constant headway policy. For constant policy, the characteristic equation of the system for delayless and single time delay case, is decomposed into factors, which makes the stability analysis easier. But, this case is not possible for the characteristic equation involved multiple time delay, which direct us to utilize Bezout Resultant matrix-based CTCR method. For constant time headway policy, it is seen that, the characteristic equation cannot decomposed into factors for any cases. So, the sufficient condition is derived for determining the stability of multi-agent system for delay-free case with converted the system matrix to block companion form and block Schwarz form. Then, a PID controller based distributed controller protocol is proposed. The cooperative control problem of multi-agent system with distributed PID controller is converted into an asymptotic stability problem through matrix and state transformations in the absense of time delay. Finally, a Lyapunov function is created and the controller parameters are choosen with the help of linear matrix inequality. In the presence of time delay, the closed-loop system is converted into a neutral-type time delay system. And, the stability posture of the multi-agent system is obtained with the help of Kronecker multiplication and elementary transformation based CTCR method. Finally, all the theoretical studies and simulation results are evaluated with a real-time experimental study. An industrial controller-based real-time simulation for the platoon system with five connected vehicle including a virtual leader is proposed. The constant time headway policy is selected to modeled the desired inter-vehicle distance and the vehicle dynamic states-based distributed control strategy is used to converge to their desired velocities and inter-vehicle distances. Then the multi-agent platooning control problem is converted into LTI system stability analysis problem. The delay-based stability analysis is studied by means of Bezout Resultant matrix-based CTCR method. Numerical simulations are provided to verify the validity of the proposed method. The real-time experiments are carried out on industrial computers to show the applicability of the proposed method in real time systems. The study concluded by evaluating the results and recommendations.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    27120

    Sigortada dağıtım ve tutundurma metodları

    Başlık çevirisi yok

    BANU GÖNENÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    SigortacılıkMarmara Üniversitesi

    Sigortacılık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OSMAN GÜRBÜZ

  2. Tez No

    550019

    Çok etmenli sistemlerde düzen kontrolünün doğrusal ve kareli diferensiyel oyun yaklaşımı ile gerçekleşmesi

    Multi-agent formation control with the linear quadratic differential game approach

    HOSSEIN BARGHI JOND

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VASIF NABIYEV

  3. Tez No

    776487

    IQ-flow: Mechanism design for inducing cooperative behavior to self-interested agents in sequential social dilemmas

    TQ-akışı: Ardışıl sosyal ikilemlerdeki çıkarcı etmenleri işbirlikçi davranışa teşvik etmek için mekanizma tasarımı

    BENGİSU GÜRESTİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NAZIM KEMAL ÜRE

  4. Tez No

    737888

    Konsensüs kontrol ve esnek sistemlerin titreşim söndürme problemi

    Consensus control and vibration supression problem of flexible structures

    UMUTCAN KUŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN

  5. Tez No

    513888

    Çok etmenli sistemlerin iş birliği kontrolünde kalman filtresi uygulamaları

    Consensus of multiagent systems with kalman filter applications

    ORHUN ESAT ŞAFAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜLAY ÖKE GÜNEL

Geri Dön