面向信息物理融合系统的非线性控制

The integration of cyber processes and physical processes causes new challenges and opportunities to the existing control theory. Based on the current cooperative research results, the investigators will focus on the cyber-physical systems involving uncertainties and nonlinearities, and systematically consider the uncertainties caused by system dynamics, external disturbances and signal quantization. New tools of event-triggered control will be developed for the systems with partial-state feedback, output-feedback and distributed feedback. Based these results, the investigators will develop a new theory for event-triggered control of nonlinear systems. The project is based on existing cooperative research. Quite a few results of distributed nonlinear control, robust nonlinear stabilization, nonlinear output regulation and the nonlinear small-gain theory, which have been developed based on the cooperative research, will play a vital role for future research of this project. In particular, the investigators already have 4 papers published in the most prestigious journals in the field, IEEE Transactions on Automatic Control and Automatica, and 2 of them are regular papers.

信息进程和物理进程的深度融合对控制带来了新的挑战和机遇。在前期工作的基础上，本课题将以包含不确定非线性特征的信息物理融合系统为对象，首次系统化研究动力学不确定性以及干扰和量化带来的反馈信号不确定性对事件驱动控制带来的新的难点问题。本课题将提出基于部分状态反馈、输出反馈和分布式反馈的事件驱动控制新方法。在此基础上，本课题将建立基于事件驱动的非线性控制一般理论。本课题组已经开展了相关的前期合作研究，在分布式非线性控制、非线性系统鲁棒镇定和输出调节、非线性小增益理论等方面的前期工作为本项目的顺利开展提供了牢固的基础。事件驱动控制方面的工作已在本领域顶级期刊IEEE Transactions on Automatic Control和Automatica发表论文4篇，其中长文2篇。

信息物理融合系统在过去若干年取得了巨大的进展，同时也更凸显了其中许多公认尚未解决的难题。在信息物理融合系统中，计算进程通常是离散的、顺序发生的、事件驱动的，而物理进程却是连续的、并发的、时间驱动的。这两者通过信息物理融合系统的深度融合导致了现有理论所难于解决的深度矛盾。本项目使用非线性控制理论作为基本工具来系统性地解决信息物理融合系统中的运行控制相关问题，并将其进一步应用到电熔镁炉的控制、四旋翼无人机的控制、多智能体的控制等方面。项目期间的研究成果：（1）将最近几年的现代非线性分析和混杂系统分析方面的最新进展应用到了解决大规模关联混杂系统的稳定性分析问题，根据混杂子系统之间的输出关联关系、关联增益和无界能观测性，给出了一个新型的判断整个关联系统稳定性的判据，即混杂系统小增益定理。并将最近发展起来的事件触发控制和小增益定理结合，提出了一个对于干扰和时延具有鲁棒性的事件触发控制器设计方法。（2）借助这些新工具解决了具有非完整系统、严格反馈型的非线性时滞系统的事件触发控制器设计问题，并将其应用到电熔镁炉、四旋翼无人机、多智能体编队等的事件触发控制中。（3）进一步研究了切换拓扑、输入受限等情形下的分布式控制与优化问题，并将其应用于欧拉-拉格朗日型多智能体系统的分布式优化、轮式移动机器人的分布式编队和包含控制等。本研究的意义在于，这些新的关联混杂系统的稳定性分析工具、新的鲁棒事件触发控制器设计方法和新的分布式控制与优化方法，对于后人研究信息物理融合系统的稳定性分析和控制奠定了基础，促进了相关领域的理论发展。将这些研究结果应用于更加复杂和广泛的领域有利于相应领域控制理论的发展。