具有自主适配功能的模糊动态系统HPPD型控制方法及应用研究

The research on homogenous polynomially parameter-dependent(HPPD)-type control synthesis of fuzzy dynamical systems is still in the primary stage, and there is no necessary adaptation between existing theoretical methods and practical industrial application requirements. Therefore, available theoretical achievements cannot meet the demand of actual control tasks in industrial production. With the purpose of achieving some innovative theoretical approaches that meet the demand of actual control tasks in industrial production, this project focuses on HPPD-type control synthesis of fuzzy dynamical systems with autonomous adaptation function by means of overcoming those defects of existing methods and considering practical industrial application requirements. In details, several key scientific problems will be solved in the project, i.e., the problem of reducing unbearable off-line computational burden that has been brought by introducing too many redundant variables, the problem of designing HPPD-type fuzzy controller that meets the demand of on-line computational ability of industrial control computers, and the problem of fuzzy co-design in a multi-object and multi-factor environment where those typical physical constraints and functional requirements are fully considered. Finally, these obtained theoretical methods will be applied and consummated in real industrial control system, such as the flatness control system for cold rolled strip. It is expected that this research could enrich and develop the intelligent fuzzy control theory based on HPPD techniques, and also provide theoretical foundation for solving actual industrial control problems via intelligent methods.

模糊动态系统HPPD型控制方法研究尚处于初步阶段，已有理论方法与实际工业应用需求之间缺少必要的适配，理论成果远不能满足工业生产中实际控制任务的相关需求。本项目聚焦于具有自主适配功能的模糊动态系统HPPD型控制设计问题，克服已有方法自身缺陷且充分考虑实际应用需求，以获得能够满足工业生产中的实际控制任务需求的创新性理论方法为目标，开展如何解决因片面追求降低保守性而忽略了冗余变量引入造成的离线计算负担骤增问题、满足工业控制计算机在线计算能力限制的HPPD型模糊控制器设计问题、考虑工业环境下的典型物理约束和功能需求的多目标多因素协同设计问题等方面的研究；最后，还将结合申请人较为熟悉擅长的冷轧带钢板形控制系统，将理论研究成果在实际工业控制系统中进行应用验证与完善。本项目研究工作的顺利实施将进一步丰富和发展基于HPPD技术的智能模糊控制理论，并为有效解决实际工业背景下的智能控制问题提供更多的理论支持。

针对严重制约模糊控制广泛工业应用的若干挑战性问题，项目组发现了耦合参数项解耦与控制器架构以及阶次之间的内在联系，构建出独特的齐次多项式参数化分析框架；攻克了高阶异构多项式技术与多维同胚模糊理论之间无损性转化的难题，提出了渐近意义下的HPPD型模糊控制充分必要条件设计方法；实现了冗余变量的精准去除和控制设计功能的无损性过渡，建立了保守性、离线与在线计算量三方博弈模型并完善了博弈个体与被控对象的自主适配功能，获得了比以往结果保守性更小且离线/在线计算负担亦更小的更高效率模糊控制器设计方法。系统地提出了具有自主适配功能的HPPD型模糊智能控制理论与方法。此外，提出了一种全新的Multi-Instant型模糊观测器架构，显著降低了模糊状态估计结果的保守性并提高了计算效率；最后以全局角度优化协调了在线控制器、状态估计和故障诊断三者在控制系统中运行演变的时间尺度调度问题，构建了一套有机整体性的多时间尺度模糊状态估计与故障诊断理论新方法，显著地降低了控制器通讯与计算负荷、提高了控制系统状态估计能力、减少了故障误报率，增强了相关理论方法面向实际工业系统的适应能力。本项目共计发表SCI检索期刊论文43篇，其中IEEE汇刊24篇，项目负责人第一作者17篇，且有7篇论文入选ESI高被引论文。项目负责人获得2020年度国家自然科学基金优秀青年基金和2019年度江苏省杰出青年基金，入选科睿唯安ESI全球高被引学者。研究成果获得2018年度上海市自然科学奖二等奖、2021年度中国仿真学会自然科学奖一等奖等科研奖励。项目的实施丰富和发展了基于HPPD技术的智能模糊控制理论，为有效解决实际工业背景下的智能控制问题提供了有力理论支持。通过本项目，已培养毕业博士研究生生4名，毕业硕士研究生7名。项目执行期间项目负责人受邀担任两个SCI国际期刊编委。