【多智能体控制】基于多智能体系统的分布式学习和协同控制附Matlab代码

matlab科研社

于 2025-07-19 21:12:55 发布

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文章标签：分布式学习 matlab

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🔥 内容介绍

基于多智能体系统（Multi-Agent System, MAS）的分布式学习和协同控制是当前人工智能、控制理论、机器人学等领域的研究热点。其核心目标是：通过多个智能体（如机器人、传感器、无人机等）的局部交互与协作，在无中心节点的分布式架构下，实现 “共同学习知识 / 模型” 与 “协同完成复杂任务” 的双重目标。以下从核心概念、关键技术、融合关系及应用场景展开详细说明。

一、多智能体系统（MAS）的基本框架

多智能体系统由多个自主智能体组成，智能体具备感知、决策、执行能力，且通过局部通信（如无线通信、视觉识别）形成动态交互拓扑（可用图论中的 “通信图” 描述，节点为智能体，边为通信链路）。其核心特点包括：

去中心化
：无全局控制器，依赖局部规则与交互；
自主性与协作性
：单个智能体可独立决策，但需通过协作提升整体性能；
鲁棒性
：部分智能体失效时，系统仍可通过重构拓扑维持功能。

二、分布式学习：多智能体的 “共同知识获取”

分布式学习是指多智能体在无全局数据中心的情况下，通过局部数据共享与计算协作，共同学习一个全局目标模型（如环境模型、任务规则、其他智能体的行为模式等）。其核心是 “去中心化的知识聚合”，与集中式学习（依赖中心节点收集所有数据）相比，具有隐私保护、通信成本低、抗单点故障等优势。

1. 分布式学习的核心问题

数据异质性
：各智能体的本地数据分布可能差异显著（如不同位置的传感器数据），导致局部模型偏差；
通信约束
：智能体仅能与邻居通信，需设计高效的局部信息融合策略；
收敛性与一致性
：确保多个智能体的局部模型最终收敛到全局最优（或近似最优）。

2. 典型分布式学习方法

分布式梯度下降（Distributed Gradient Descent, DGD）：每个智能体基于本地数据计算梯度，通过与邻居交换梯度信息并加权平均，更新本地模型，逐步收敛到全局最优。适用于凸优化问题（如线性回归、逻辑回归）。
联邦学习（Federated Learning, FL）：智能体在本地训练模型，仅上传模型参数（而非原始数据）至 “参数服务器”（或通过邻居转发），全局模型通过聚合局部参数更新，实现 “数据不动模型动”，显著保护隐私。常用于数据敏感场景（如医疗、金融）。
共识学习（Consensus Learning）：基于一致性协议（如 “每个智能体的状态 = 自身状态 + 邻居状态的加权平均”），使所有智能体的局部模型逐步达成共识。例如，多传感器网络通过共识学习融合局部观测，估计全局环境状态（如区域温度、目标位置）。
分布式强化学习（Distributed Reinforcement Learning, DRL）：多个智能体通过探索环境获取奖励信号，局部学习策略，再通过通信协同优化全局策略。例如，多机器人通过 DRL 学习协同避障规则。