<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.1 20151215//EN" "http://jats.nlm.nih.gov/publishing/1.1/JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="1.1">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="pmc">EE</journal-id>
<journal-id journal-id-type="nlm-ta">EE</journal-id>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">EE</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Energy Engineering</journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1546-0118</issn>
<issn pub-type="ppub">0199-8595</issn>
<publisher>
<publisher-name>Tech Science Press</publisher-name>
<publisher-loc>USA</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">20082</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/ee.2022.020082</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Multi-Agent Consensus Control Scheme for the Load Control Problem</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Multi-Agent Consensus Control Scheme for the Load Control Problem</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Multi-Agent Consensus Control Scheme for the Load Control Problem</alt-title>
</title-group>
<contrib-group content-type="authors">
<contrib id="author-1" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Xu</surname><given-names>Te</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Lin</surname><given-names>Zhixian</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-3" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Lin</surname><given-names>Xinwei</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-4" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Lin</surname><given-names>Changsheng</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-5" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Gao</surname><given-names>Feng</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-6" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Li</surname><given-names>Zixuan</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref></contrib>
<contrib id="author-7" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Liu</surname><given-names>Peiwen</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref><email>220192756@seu.edu.cn</email>
</contrib>
<aff id="aff-1"><label>1</label><institution>Shenzhen Power Supply Bureau Co., Ltd.</institution>, <addr-line>Shenzhen, 518000</addr-line>, <country>China</country></aff>
<aff id="aff-2"><label>2</label><institution>School of Electrical Engineering, Southeast University</institution>, <addr-line>Nanjing, 210096</addr-line>, <country>China</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Author: Peiwen Liu. Email: <email>220192756@seu.edu.cn</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub" date-type="pub" iso-8601-date="2022-05-18"><day>18</day>
<month>05</month>
<year>2022</year></pub-date>
<volume>119</volume>
<issue>4</issue>
<fpage>1501</fpage>
<lpage>1515</lpage>
<history>
<date date-type="received"><day>03</day><month>11</month><year>2021</year></date>
<date date-type="accepted"><day>07</day><month>12</month><year>2021</year></date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2022 Xu et al.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Xu et al.</copyright-holder>
<license xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<license-p>This work is licensed under a <ext-link ext-link-type="uri" xlink:type="simple" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</ext-link>, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.</license-p>
</license>
</permissions>
<self-uri content-type="pdf" xlink:href="TSP_EE_20082.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>With the help of smart grid technologies, a lot of electrical loads can provide demand response to support the active power balance of the grid. Compared with centralized control methods, decentralized methods reduce the computational burden of the control center and enhance the reliability of the communication. In this paper, a novel second-order multi-agent consensus control method is proposed for load control problem. By introducing the velocity state into the model, the proposed method achieves better performance than traditional ones. Simulation results verify the effectiveness of the proposed method.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Multi-agent</kwd>
<kwd>decentralized control</kwd>
<kwd>load control</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1"><label>1</label><title>Introduction</title>
<p>With the rapid development of smart grid technology, more and more user equipment can participate in demand response by providing support for load balancing in the grid [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>]. Traditional centralized control (<xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref>, upper) requires the control center to collect and transmit information to ensure that the best system performance is obtained under strictly defined conditions. On the contrary, through distributed control (<xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref>, lower), the system does not need to centrally manage each user control center. This control method defines one or more controlled units in the system that receive and control response information as the dominant node, so that the system completes the information exchange between the units [<xref ref-type="bibr" rid="ref-2">2</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-4">4</xref>]. This distributed control method not only realizes the functions of signal exchange, but also reduces the communication burden of the control center and simplifies the system network topology, so that the reliability of the system is better guaranteed [<xref ref-type="bibr" rid="ref-5">5</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>].</p>
<p>Multi-agent consensus control is to make each agent in the system provide the same response to a certain command. At present, there are various researches on the multi-agent consensus control problems of load side resources. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>], a multi-agent control method and an online optimization method is proposed to managing the power consumption of large amount of thermostatically controlled loads (TCLs). In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>], multi-agent technology is combined with load control. It fully considers the functions and characteristics of power load control, and establishes a power load control system based on multi-agent, which makes full use of intelligent technology. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>], a novel approach for a distributed real-time coordination of power flow control is presented. A multi-agent system located decentrally at the substation level has been developed only relying on local measurements and integrant communication in contrast to global system models and centralized computations. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>], a distributed control law using only local information is proposed to solve the load tracking control problem of an interrelated leader-follower multi-agent system, in which the dynamics of the leader and the follower states are interrelated. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>], a distributed optimal tie-line power flow control strategy based on multi-agent is proposed. By covering the regional communication network of each MG and the distributed sensor monitoring the power flow of the tie line, the microgrid can be coordinated to achieve the best dispatch in real time under constant load fluctuations. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-13">13</xref>], a multi-agent-based multi-layer hierarchical control system is proposed for residential load management under real-time pricing environment. In this way, the purpose of reducing peak load demand, power cost and user discomfort is achieved. In [<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>], a multi-agent consensus control algorithm is proposed to meet the requirements of accurate load control of residential air conditioning resources.</p>
<fig id="fig-1"><label>Figure 1</label><caption><title>Centralized and distributed control framework</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-1.png"/></fig>
<p>Notwithstanding the feasibility of the above methods, these methods belong to first-order multi-agent method which only considers position as the state to communicate with neighbor nodes. Other information, such as velocity information is neglected, and the performance is therefore limited.</p>
<p>Focusing on improving the load control performance, this paper applies second-order multi-agent consensus control method to the load control problem. By using the second-order multi-agent consensus control method, the velocity information is introduced as the additional state in the control model, the system can be converged faster than first-order multi-agent method.</p>
<p>The remaining of this paper is organized as following. In <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, the second-order multi-agent consensus control method is presented. The simulation results are provided in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>. And the conclusions are summarized in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2"><label>2</label><title>Second-Order Multi-Agent Consensus Algorithm</title>
<p>The multi-agent consensus control method is a kind of distributed control method that can deliver the control command to the distributed nodes through communication with neighbor nodes. In this section, the traditional first-order consensus algorithm is briefly introduced and then the load control method based on discrete second-order consensus algorithm is presented.</p>
<sec id="s2_1"><label>2.1</label><title>First-Order Multi-Agent Consensus System</title>
<p>Considering the dynamic state equation as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref>:
<disp-formula id="eqn-1"><label>(1)</label><mml:math id="mml-eqn-1" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the state of agent <italic>i</italic> at time <italic>t</italic>, <inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the control input of <italic>i</italic> at time <italic>t</italic>. For a control input <inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and indexes <italic>i</italic>, <italic>j</italic> satisfy <inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and for any initial condition, when <inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:math></inline-formula> the following <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2">Eq. (2)</xref> satisfies:
<disp-formula id="eqn-2"><label>(2)</label><mml:math id="mml-eqn-2" display="block"><mml:munder><mml:mrow><mml:mo form="prefix">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>The control input <inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> can successfully lead to the convergence of the multi-agent system.</p>
<p>By analyzing the convergence condition of the multi-agent system, reference [<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>] derives the expression of <inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-3">Eq. (3)</xref>:
<disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>By introducing <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-3">Eq. (3)</xref> in the state <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref>, the following expression can be obtained in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-4">Eq. (4)</xref>:
<disp-formula id="eqn-4"><label>(4)</label><mml:math id="mml-eqn-4" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <italic>L</italic> is the Laplacian Matrix of connected graph <italic>&#x03BE;</italic>, and <inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2_2"><label>2.2</label><title>Second-Order Multi-Agent Consensus System</title>
<p>By introducing the velocity of the state, the state equation of second-order multi-agent consensus system can be written by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">Eq. (5)</xref>:
<disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents the position of the <italic>i</italic>th node, <inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents the velocity, and <inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents the control input.</p>
<p>Different with first-order multi-agent system, the second-order multi-agent system contains velocity state in addition to the position state in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">Eq. (5)</xref>.</p>
<p>Similarly, to realize the convergence of the second-order multi-agent system, the input <inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> should be carefully designed so that when <inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the following equation satisfies condition of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-6">Eq. (6)</xref>:
<disp-formula id="eqn-6"><label>(6)</label><mml:math id="mml-eqn-6" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mo form="prefix">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mo form="prefix">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2200;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>For the multi-agent system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">Eq. (5)</xref>, the control strategy can be modified as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-7">Eq. (7)</xref>:
<disp-formula id="eqn-7"><label>(7)</label><mml:math id="mml-eqn-7" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the parameter which influence the convergence speed of the system.</p>
<p>With the control strategy <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-7">(7)</xref>, the multi-agent system is converged under the condition of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-8">Eq. (8)</xref>:
<disp-formula id="eqn-8"><label>(8)</label><mml:math id="mml-eqn-8" display="block"><mml:mrow><mml:mtext>Re</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> denotes characteristic root of Laplacian Matrices <italic>L</italic>, <italic>i&#x2009;</italic>&#x003D;<italic>&#x2009;</italic>1, 2, &#x2026; <italic>n</italic>.</p>
</sec>
<sec id="s2_3"><label>2.3</label><title>Proof of Second-Order Multi-Agent Consensus System</title>
<p>In this subsection, proof of the stability of the multi-agent consensus system is provided. By introducing <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-7">Eq. (7)</xref> in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">Eqs. (5)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">(9)</xref> can be obtained:
<disp-formula id="eqn-9"><label>(9)</label><mml:math id="mml-eqn-9" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="ueqn-1">
<mml:math id="mml-ueqn-1" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <italic>L</italic> is the Laplacian Matrices of connected graph, and the characteristic equation of system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eq. (9)</xref> can be defined as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-10">Eq. (10)</xref>:
<disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">det</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">&#x220F;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>The characteristic root of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-10">Eq. (10)</xref> can be obtained as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-11">Eq. (11)</xref>:
<disp-formula id="eqn-11"><label>(11)</label><mml:math id="mml-eqn-11" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>The convergence of the system can be realized on the condition that the characteristic root of the system has negative real part. If condition <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-8">(8)</xref> is satisfied, the characteristic root (<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-11">Eq. (11)</xref>) has negative real part, and the system stability can be guaranteed.</p>
</sec>
<sec id="s2_4"><label>2.4</label><title>Discrete Second-Order Multi-Agent System</title>
<p>Based on the continuous second-order multi-agent system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">Eq. (5)</xref>, the discrete second-order multi-agent system can be obtained by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-12">Eq. (12)</xref>:
<disp-formula id="eqn-12"><label>(12)</label><mml:math id="mml-eqn-12" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> denote the sampling time.</p>
<p>For system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-12">Eq. (12)</xref>, the control algorithm can be finally obtained as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-13">Eq. (13)</xref>:
<disp-formula id="eqn-13"><label>(13)</label><mml:math id="mml-eqn-13" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are two parameters, <inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the neighbor set of node <italic>i</italic>.</p>
</sec>
<sec id="s2_5"><label>2.5</label><title>Load Control by the Multi-Agent System</title>
<p>For the load control problem, the task is to deliver the load control command to individual consumers, so that the consumers can provide load curtailment services. To apply the multi-agent consensus algorithm to the load control problem, the position <inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represent the load response amount for individual consumers. After the leader node receive the load control command, the command can be distributed to individual consumers by information exchange based on the consensus algorithm. The flow chart of the load control process is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>.</p>
<fig id="fig-2"><label>Figure 2</label><caption><title>Flow chart of the load control process</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-2.png"/></fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s3"><label>3</label><title>Testing Examples</title>
<p>The testing examples consider load control problems under different scenarios. Different consensus control methods and different topologies of communication network are compared in order to show the effectiveness of the proposed method.</p>
<sec id="s3_1"><label>3.1</label><title>Comparison of the Convergence Speed of Different Consensus Algorithms</title>
<p>This subsection compares the convergence speed between the traditional and the proposed consensus algorithm, which are defined as following:
<list list-type="simple">
<list-item><label></label><p><bold>Traditional method</bold></p></list-item>
</list></p>
<p>The traditional method adopts first-order consensus algorithm. By the analysis of the previous section, the first-order consensus algorithm can be formulated by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">Eq. (14)</xref>:
<disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace width="thickmathspace" /></mml:math></disp-formula>
<list list-type="simple">
<list-item><label></label><p><bold>Proposed method</bold></p></list-item>
</list></p>
<p>The proposed method adopts second-order consensus algorithm. The second-order consensus algorithm can be formulated by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-15">Eq. (15)</xref>:
<disp-formula id="eqn-15"><label>(15)</label><mml:math id="mml-eqn-15" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <italic>p</italic><sub>1</sub>, <italic>p</italic><sub>2</sub> are parameters, <inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the neighbor set of node <italic>i</italic>.</p>
<p>The multi-agent system is defined in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref>. It can be seen that each node can not only communicate with its neighborhood nodes, but also communicate with neighbor&#x0027;s neighbor. The Laplacian Matrices of the connected graph can be written as following:
<disp-formula id="ueqn-2">
<mml:math id="mml-ueqn-2" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<fig id="fig-3"><label>Figure 3</label><caption><title>The structure of multi-agent consensus system</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-3.png"/></fig>
<p>The parameters are selected as following:
<disp-formula id="ueqn-3">
<mml:math id="mml-ueqn-3" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.15</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Consumer 1 is selected as the leader node. To deliver 8 MW load control command to the distributed consumers, the initial states are defined as:
<disp-formula id="ueqn-4">
<mml:math id="mml-ueqn-4" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="thickmathspace" /><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The simulation results of position (amount of load response), velocity and input under the traditional method and the proposed method are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Figs. 4</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-5">5</xref>, respectively.</p>
<fig id="fig-4"><label>Figure 4</label><caption><title>Simulation results of the traditional method</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-4.png"/></fig>
<fig id="fig-5"><label>Figure 5</label><caption><title>Simulation results of the proposed method</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-5.png"/></fig>
<p>By comparing <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Figs. 4</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-5">5</xref>, it can be seen that the position (amount of load response), velocity and input of traditional method result in convergence at the 120 s, the 140 and 50 s, whereas the proposed method converge at the 20 s, the 25 and 13 s. Though the parameters are the same, the proposed method result in much faster convergence than the traditional method, showing superiority over the traditional method.</p>
</sec>
<sec id="s3_2"><label>3.2</label><title>Comparison of Convergence under Different Topology of the Communication Network</title>
<p>From the analysis of the previous subsection, it can be found that the proposed method has much faster convergence than the traditional method. In the following analysis, second-order consensus algorithm is adopted and different topologies of the communication network are compared.

<list list-type="simple">
<list-item><label></label><p><bold>Linear-topology</bold></p></list-item>
</list></p>
<p>The linear-topology multi-agent system can be structured as <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6</xref>. It can be seen that every two consumers are connected with each other except the first and the last one. The structure is similar to a line.</p>
<fig id="fig-6"><label>Figure 6</label><caption><title>The structure of linear-topology multi-agent system</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-6.png"/></fig>
<p>For such system, the Laplacian Matrices of the connected graph can be derived by:
<disp-formula id="ueqn-5">
<mml:math id="mml-ueqn-5" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Considering totally 8 MW load response, the simulation results of position (amount of load response), velocity and input is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Fig. 7</xref>. It can be seen that the position and the velocity are converged after 400 and 200 s, respectively.
<fig id="fig-7"><label>Figure 7</label><caption><title>Simulation results of the linear-topology multi-agent system</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-7.png"/></fig>
<list list-type="simple">
<list-item><label></label><p><bold>Star-topology multi-agent system</bold></p></list-item>
</list></p>
<p>Similarly, the star-topology multi-agent system can be designed as <xref ref-type="fig" rid="fig-8">Fig. 8</xref>. It can be seen that two consumers are selected as center node, and other consumers are connected to the center node. The structure is similar to a star.</p>
<fig id="fig-8"><label>Figure 8</label><caption><title>The structure of star-topology multi-agent system</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-8.png"/></fig>
<p>The Laplacian Matrices can be derived by:
<disp-formula id="ueqn-6">
<mml:math id="mml-ueqn-6" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Then consumer 1 is selected as the leader node to deliver 8 MW load response command to the distributed consumers. By implementing the simulation of 200 s, the position (amount of load response), velocity and input are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9</xref>. It can be seen that the position and the velocity are finally converged at 110 and 100 s, respectively.
<fig id="fig-9"><label>Figure 9</label><caption><title>Simulation results of the star-topology multi-agent system</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-9.png"/></fig>
<list list-type="simple">
<list-item><label></label><p><bold>Net-topology multi-agent system</bold></p></list-item>
</list></p>
<p>The net-topology multi-agent system is considered. The topology of the system is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-10">Fig. 10</xref>. It can be seen that each node is connected to at least 3 neighbor nodes. The structure is similar to a net.</p>
<fig id="fig-10"><label>Figure 10</label><caption><title>The structure of net-topology multi-agent system</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-10.png"/></fig>
<p>The Laplacian Matrices is defined as following:
<disp-formula id="ueqn-7">
<mml:math id="mml-ueqn-7" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>5</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>5</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>5</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>5</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Consumer 1 is selected as the leader node to deliver 8 MW load control command to the distributed consumers. By implementing the simulation of 100 s, the position (amount of load response), velocity and input are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Fig. 11</xref>. It can be seen that the position and the velocity are finally converged at 50 and 40 s, respectively.</p>
<p><xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref> summarizes the convergence speed of different topologies. From <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref>, it can be seen that the net-topology multi-agent result in quickest convergence, which is good selection for the load control command to send to the consumers.</p>
</sec>
<sec id="s3_3"><label>3.3</label><title>Comparison of Control Performance under Different Communication Delay</title>
<p>In a real control system, the communication delay always exists due to the hardware implementation. Therefore, it is of significant importance to analyze the influence of the communication delay on the control performance. <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Fig. 12</xref> shows the position (amount of load response), velocity and input of the net-topology multi-agent system under different communication delay.</p>
<fig id="fig-11"><label>Figure 11</label><caption><title>Simulation results of the net-topology multi-agent system</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-11.png"/></fig>
<table-wrap id="table-1"><label>Table 1</label><caption><title>Summary of the performance of different topologies</title></caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th align="left">Topology</th>
<th align="left">Convergence of load response&#x00A0;(s)</th>
<th align="left">Convergence of speed <italic>v</italic>(s)</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td align="left">Linear-topology</td>
<td align="left">400</td>
<td align="left">200</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Star-topology</td>
<td align="left">110</td>
<td align="left">100</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Net-topology</td>
<td align="left">50</td>
<td align="left">40</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<fig id="fig-12"><label>Figure 12</label><caption><title>Simulation results of n multi-agent system with different communication delay</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-12a.png"/>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-12b.png"/></fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13</xref> summarizes the convergence speed of the net-topology multi-agent system under different communication delays. It can be seen from <xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13</xref> that the communication delay influences the control performance and larger communication delay slows down the convergence speed. Under 1&#x2005;s communication delay, the responsive load is converged in about 74&#x2005;s, whereas under 3&#x2005;s communication delay, the converging time increases to about 133&#x2005;s. Larger converging time leads to higher oscillations of the responsive power, which would have negative influence on the control performance. To guarantee good control performance, small response delay should be kept.</p>
<fig id="fig-13"><label>Figure 13</label><caption><title>Convergence speed of multi-agent system with different communication delay</title></caption><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="EE_20082-fig-13.png"/></fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s4"><label>4</label><title>Conclusion</title>
<p>This paper proposes a second-order-multi-agent-consensus-based load control scheme. By introducing velocity state into the communication network and the correspondence modified control algorithm, the proposed method results in better performance than traditional control scheme. The contribution of this paper can be summarized as following:
<list list-type="simple">
<list-item><label>1)</label><p>Proposing a novel second-order consensus control scheme for the load control of multi-agent system. By introducing the velocity state into the model, the proposed method achieves better performance than traditional first-order consensus control scheme.</p></list-item>
<list-item><label>2)</label><p>Analyzing different topologies that affect the performance of the second-order multi-agent system, and concluding that net-topology multi-agent has quickest convergence.</p></list-item>
<list-item><label>3)</label><p>Analyzing the influences of the response delay on the convergence of the control system, and showing the importance of minimizing the response delay.</p></list-item>
</list></p>
<p>Notwithstanding the contributions listed above, there are still limitations that needs to be completed in the future research. For example, external interference may affect the control signal, and therefore influence the final control performance. Therefore, the future work may be focusing on designing methods for coping with external interferences.</p>
</sec>
</body>
<back>
<fn-group>
<fn fn-type="other"><p><bold>Funding Statement:</bold> This paper is supported by Science and Technology Project of China Southern Power Grid Corporation (090000KK52190230).</p></fn>
<fn fn-type="conflict"><p><bold>Conflicts of Interest:</bold> The authors declare that they have no conflicts of interest to report regarding the present study.</p></fn>
</fn-group>
<ref-list content-type="authoryear">
<title>References</title>
<ref id="ref-1"><label>1.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Azeroual</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lamhamdi</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>El Moussaoui</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>El Markhi</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Intelligent energy management system of a smart microgrid using multiagent systems</article-title>. <source>Archives of Electrical Engineering</source><italic>,</italic> <volume>69</volume><issue>(1)</issue><italic>,</italic> <fpage>23</fpage>&#x2013;<lpage>38</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.24425/aee.2020.131756</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-2"><label>2.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Adbabaie</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lin</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Morse</surname>, <given-names>A. S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Coordination of groups of mobile autonomous agents using nearest neighor rules</article-title>. <source>IEEE Transactions on Automatic Control</source><italic>,</italic> <volume>48</volume><issue>(9)</issue><italic>,</italic> <fpage>988</fpage>&#x2013;<lpage>1001</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TAC.2003.812781</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>3.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>H. W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sun</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhong</surname>, <given-names>C. Q.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>New results on consensus of multi-agent systems with time-varying delays: A cyclic switching technique</article-title>. <source>IEEE Access</source><italic>,</italic> <volume>9</volume><italic>,</italic> <fpage>91402</fpage>&#x2013;<lpage>91409</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ACCESS.2021.3090782</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>4.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Tan</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yue</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Group leader-following consensus control for heterogeneous multi-agent systems with time delays</article-title>. <source>IEEE Access</source><italic>,</italic> <volume>9</volume><italic>,</italic> <fpage>72743</fpage>&#x2013;<lpage>72758</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ACCESS.2021.3079814</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>5.</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ren</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Atkins</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name></person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Second-order consensus protocols in multiple vehicle systems with local interactions</article-title>. <conf-name>Proceeding of AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit</conf-name>, pp. <fpage>3689</fpage>&#x2013;<lpage>3701</lpage>. <conf-loc>San Francisco, USA</conf-loc>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>6.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chu</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yue</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Dou</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chu</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Adaptive pi control for consensus of multiagent systems with relative state saturation constraints</article-title>. <source>IEEE Transactions on Cybernetics</source><italic>,</italic> <volume>51</volume><issue>(4)</issue><italic>,</italic> <fpage>2296</fpage>&#x2013;<lpage>2302</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCYB.2019.2954955</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>7.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Xie</surname>, <given-names>D. M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>S. K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Consensus of second-order discrete-time multi-agent systems with fixed topology</article-title>. <source>Journal of Mathematical Analysis and Applications</source><italic>,</italic> <volume>387</volume><issue>(1)</issue><italic>,</italic> <fpage>8</fpage>&#x2013;<lpage>16</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmaa.2011.08.052</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>8.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Franceschelli</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pilloni</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gasparri</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Multi-agent coordination of thermostatically controlled loads by smart power sockets for electric demand side management</article-title>. <source>IEEE Transactions on Control Systems Technology</source><italic>,</italic> <volume>29</volume><issue>(2)</issue><italic>,</italic> <fpage>731</fpage>&#x2013;<lpage>743</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCST.87</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>9.</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhao</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Man</surname>, <given-names>Z.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bi</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name></person-group> (<year>2008</year>). <article-title>The research of electric load control system based on multi-agent</article-title>. <conf-name>International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering</conf-name>, pp. <fpage>482</fpage>&#x2013;<lpage>486</lpage>. <conf-loc>Phuket</conf-loc>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-10"><label>10.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>M&#x00FC;ller</surname>, <given-names>S. C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>H&#x00E4;ger</surname>, <given-names>U.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Rehtanz</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name></person-group> (<year>2014</year>). <article-title>A multiagent system for adaptive power flow control in electrical transmission systems</article-title>. <source>IEEE Transactions on Industrial Informatics</source><italic>,</italic> <volume>10</volume><issue>(4)</issue><italic>,</italic> <fpage>2290</fpage>&#x2013;<lpage>2299</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TII.2014.2315499</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-11"><label>11.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Cai</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hu</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name></person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Distributed tracking control of an interconnected leader&#x2013;Follower multiagent system</article-title>. <source>IEEE Transactions on Automatic Control</source><italic>,</italic> <volume>62</volume><issue>(7)</issue><italic>,</italic> <fpage>3494</fpage>&#x2013;<lpage>3501</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TAC.2017.2660298</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-12"><label>12.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname>, <given-names>Y.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xin</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gooi</surname>, <given-names>H. B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pan</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Distributed optimal Tie-line power flow control for multiple interconnected AC microgrids</article-title>. <source>IEEE Transactions on Power Systems</source><italic>,</italic> <volume>34</volume><issue>(3)</issue><italic>,</italic> <fpage>1869</fpage>&#x2013;<lpage>1880</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TPWRS.59</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-13"><label>13.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Rasheed</surname>, <given-names>M. B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Javaid</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Arshad Malik</surname>, <given-names>M. S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Asif</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hanif</surname>, <given-names>M. K.</given-names></string-name> <etal>et al.</etal></person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Intelligent multi-agent based multilayered control system for opportunistic load scheduling in smart buildings</article-title>. <source>IEEE Access</source><italic>,</italic> <volume>7</volume><italic>,</italic> <fpage>23990</fpage>&#x2013;<lpage>24006</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ACCESS.2019.2900049</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>14.</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Liu</surname>, <given-names>P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ma</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bai</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Multi-agent consensus control of distributed inverter Air conditioning load based on the demand response</article-title>. <conf-name>2020 39th Chinese Control Conference (CCC)</conf-name>, pp. <fpage>6105</fpage>&#x2013;<lpage>6110</lpage>. <conf-loc>Shenyang, China</conf-loc>. </mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>15.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Olfati-Saber</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Murry</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Consensus problems in networks of agents with switching topology and time-delays</article-title>. <source>IEEE Transactions on Automatic Control</source><italic>,</italic> <volume>49</volume><issue>(9)</issue><italic>,</italic> <fpage>1520</fpage>&#x2013;<lpage>1533</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TAC.2004.834113</pub-id>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
</back>
</article>