同时具有输入和状态时滞的控制系统的输入时滞补偿

Dynamic systems with both input and state time delays can be used to describe many control objects in a large number of projects, and thus are of great importance in both theory and practice. For control systems with only input time delays, a complete theory based on predictor feedback or finite spectrum assignment has been established to compensate completely the input delays. However, when the predictor feedback or the finite spectrum assignment theory is used to solve the delay compensation problem for systems with both input and state delays, there are theoretical and technical difficulties even for special cases such as commensurate time-delay systems. In contrast to the traditional predictor feedback or finite spectrum assignment method, this project will study a new problem of compensating only input delays for control systems with both input and state delays. Based on the principle investigator's preliminary studies on this problem, the project will establish three input delay compensation strategies, namely, the nested predictor feedback, predictor-observer feedback and adding integrators based methods. By these methods the systems will be transformed into new systems with only state delays whose sizes will not be enlarged. Effective methods will then be established to design controllers for the delay compensated systems with only state delays by using their special structures and properties. Finally, the proposed input delay compensation methods will be applied to the design of spacecraft attitude and orbital control systems, and it is expected to provide certain technical support and theoretical guarantee for the relevant engineering practice.

同时具有输入和状态时滞的动态系统可以描述大量工程中的控制对象，具有重要的研究价值。对于仅含输入时滞的控制系统，已经建立的基于预估器反馈或有限谱配置的完备理论，可以完全补偿其输入时滞。但将预估器反馈或有限谱配置理论用于解决同时具有输入和状态时滞的控制系统的时滞补偿问题时，即使对于特殊情况如公度时滞系统，也还存在理论和技术上的困难。与传统的预估器反馈或有限谱配置方法不同，本项目针对同时具有输入和状态时滞的控制系统，研究仅对其输入时滞进行补偿的新问题。项目将在前期研究工作的基础上，建立基于嵌套预估器、预估器-观测器和扩展积分器等三种输入时滞补偿策略，将这类系统转化为仅含有状态时滞且时滞不会增大的时滞系统，并利用转化后不含输入时滞的控制系统的特殊结构和性质建立有效的控制器设计方法。最后，将所提出的输入时滞补偿方法用于航天器姿态和轨道控制系统的设计，期望为相关的工程实践提供一定的技术支持和理论保证。

时滞现象存在于大量的控制系统之中，是造成系统性能降低甚至不稳定的一个重要原因。此外，由于时滞系统的无穷维特征，其控制在理论上具有挑战性。因此时滞系统受到了广泛的关注。本项目针对同时具有不同输入和状态时滞的控制系统，提出了嵌套预估反馈的控制思想。其核心是通过嵌套预估反馈策略预测系统状态的未来信息，使得不同的输入时滞得到完全的补偿。补偿后的闭环系统与无输入时滞的闭环系统具有相同的特征方程，因此为后续的控制问题带来巨大的方便。针对具有输入和状态时滞的中立型线性时滞系统，建立了一种伪预估反馈方法来预估未来状态，从而对输入时滞进行适当的补偿。此外，项目还对时变时滞系统的严格Lyapunov-Krasovskii泛函（LKFs）的构造和稳定性问题、一类具有输入饱和非线性的时滞系统的全局镇定问题以及（输入时滞）线性系统的有限时间镇定问题等开展了研究。最后，项目成功地将理论成果应用于航天器交会、姿态控制与编队飞行控制系统的控制器设计，为相关工程实践提供了一定的技术支持和理论指导。..在本项目的资助下，负责人发表标注本项目资助的SCI检索论文55篇（第一作者论文18篇），其中在控制领域的顶级期刊《Automatica》上发表论文13篇（其中第一作者论文11篇）；在控制领域的顶级期刊《IEEE Trans. on Automatic Control》上发表论文4篇（其中第一作者论文2篇）。在项目的研究期间，负责人获得“国家自然科学基金杰出青年科学基金”和“军委科技委基础加强计划基金”的进一步支持。负责人还获黑龙江省自然科学二等奖（1/5），霍英东教育基金会高等院校青年教师奖三等奖等科技奖励和荣誉。负责人入选“爱思唯尔2020中国高被引学者”。在项目的研究期间，负责人担任《Automatica》、《IET Control Theory & Applications》、《Asian Journal of Control》、《控制与决策》、《系统科学与数学》等国际国内著名学术杂志的编委，担任IEEE CDC、ACC、CCC、CCDC和WCICA等国际国内学术会议的程序委员会委员十余次。负责人担任国际自动控制联合会（IFAC）下属3个委员会的委员和“中国自动化学会” 控制理论专业委员会委员。