基于区间观测器的不确定网络化系统的协同行为分析与控制

Almost all the existing research about cooperative control of networked systems is performed under the premise that the system parameters or the relevant properties of the system parameters are deterministic and known. However, in practice, it is difficult to obtain some accurate information of an underlying system due to the defects in equipment precision and the complexity of the environment in real engineering applications, so that one can only get a range of uncertain information in general. More precisely, there always exist some uncertain elements with only the ranges of their values being known in the networked systems, called uncertain networked systems. This project focuses on uncertain networked systems in which the “uncertainty” mainly appears in two forms: the systems with uncertain disturbances and the uncertain system matrices. An effective technique using the interval observer for the uncertain networked system is introduced to design an efficient distributed algorithm, driving the uncertain systems to achieve coordination behavior. Based on the interval observer based control algorithm, a simulation platform will be established for studying uncertain networked systems. The project will help us to construct a theoretical framework for cooperative control of uncertain networked systems, which will provide better technical services to many engineering fields, such as mobile sensor networks for mine water level monitoring.

现存的关于网络化系统的协同控制研究几乎都是建立在系统的各项参数已知，或者是系统的各项参数的相关性质是确定和已知的前提下的。然而在实际工程中，由于设备精度的欠缺、通信环境的复杂等原因，我们很难获取系统的某些确切信息，而只能得到这些不确定信息的取值范围，即系统中存在一些只有取值范围已知的不确定因素，我们将这类系统称为不确定系统。本项目将聚焦于不确定网络化系统，主要是具有不确定外部扰动的网络化系统以及系统矩阵不确定的网络化系统，通过对该类不确定网络化系统引入区间观测器这一有效工具，研究其分布式控制算法设计问题以及系统的协同控制行为，并对它们建立基于区间观测器的协同控制仿真平台。本项目的研究不仅有助于建立不确定网络化系统协同控制的理论框架，而且在诸如矿井水位监测的移动传感器网络等工程领域具有重要的应用前景。

网络化多智能体系统的协同控制是近年来的一个研究热点。现有的研究结果几乎都是针对参数确定的系统。然而，在实际的工程应用中，由于设备精度的欠缺、通信环境的复杂等原因，系统中存在一些不确定因素，并且我们很难获取这些不确定因素的精确值，仅能得到其边界信息。围绕这类仅有不确定因素边界信息已知的多智能体系统，本项目开展了不确定网络化多智能体系统的鲁棒协同控制研究，并首次提出了局部区间观测与邻接区间观测的概念。针对具有扰动不确定性的网络化多智能体系统，基于不确定扰动和初始状态值的边界信息以及输出信息，结合多智能体系统的分布式信息交互原则，设计出了的局部区间观测器和邻接区间观测器，分别实现对了智能体绝对状态和相对状态误差和的区间估计；根据Lyapunov稳定性理论，给出了系统实现鲁棒协同控制的充分条件。针对具有模型不确定性的网络化多智能体系统，根据不确定系统矩阵和初始状态值的边界信息以及输出信息，结合多智能体系统分布式信息交互原则，构建了基于局部区间观测和基于相邻区间观测的鲁棒协同控制算法，揭示了系统的鲁棒一致性与系统的可镇定性、不确定矩阵的边界信息、智能体的拓扑结构之间的关系；更进一步地，根据龙伯格降维观测器理论，解决了该类多智能体系统基于降维局部区间观测器的鲁棒一致性问题。最后，根据两类不确定网络化多智能体系统的区间观测算法，构建了基于区间观测器的协同控制仿真平台。本项目的研究不仅有助于建立不确定网络化多智能体系统协同控制研究的理论框架，拓展了协同控制的理论研究体系，而且在无人机-无人艇跨域协同等工程领域具有重要的应用前景。通过项目的实施，共发表15篇SCI期刊论文和4篇国际会议论文，完成7项专利的申请；协助培养研究生2名。