网络化大系统分散协调控制及其在单主-多从网络化遥操作系统中的应用

The information exchange and control are through the shared wired/wireless network for the subsystems in the large-scale system. The limited bandwidth, network transmission delay and probable packet dropout bring some challenging issues for the analysis and design of the large-scale interconnected systems. This project focuses on the decentralized control problem of the nonlinear interconnected system under the complex network environment, and the research achievements are applied to teleoperation design with single master and multiple slavers. First, a new network schedule and control co-design scheme is proposed. The bandwidth is allocated real-time to schedule the transmission of the data packets for the subsystems based on the obtained network bandwidth and the statuses of the subsystems, and thus the control performance of the large-scale system is improved. Then, both the stability analysis problem and the control problem are investigated for the networked nonlinear interconnected systems. The stability criteria are proposed with the consideration of the network parameters, and the new decentralized control schemes are developed. Furthermore, the research results are applied to the decentralized control of networked teleoperation system with single master and multiple slavers. The novel master and slave controllers will be designed to guarantee the stability performance and improve the transparency performance for the teleoperation. With the above research achievements, we aim to establish the fundamental research framework for networked nonlinear interconnected system. The theoretic results will be applied to the rescue in nuclear accident, the probe in space and some other practical teleoperation applications.

关联大系统中子系统信息交互与控制都通过共享的有线/无线网络进行，网络带宽受限、信息传输延迟和随机包丢失等问题给大系统的分析与设计提出了新的挑战。本项目聚焦于研究复杂网络环境下非线性关联大系统的分散控制问题，并将结果应用于单主-多从遥操作系统的设计。首先提出关联系统的网络调度-控制协同设计策略，综合考虑网络实时可用带宽和当前子系统运行情况，在线分配子系统带宽以调度节点数据包的发送，达到大系统的整体性能提升；其次研究网络化强耦合非线性大系统的稳定性分析与分散控制问题，建立依赖于网络环境参数的稳定性标准，提出融合网络实时参数的分散控制器设计策略；研究结果进一步应用于单主-多从网络化遥操作系统的分散控制，提出主从机器人控制方法，保证系统的稳定性能，同时增强遥操作系统的透明性能。通过上述内容的研究，建立网络化关联非线性系统的基本研究框架，有望为核事故救援、空间探测等遥操作应用领域提供理论支撑。

本项目聚焦于研究复杂网络环境下非线性关联大系统的分散控制问题，并将结果应用于单主-多从遥操作系统的设计。在关联大系统的分散控制方面，做了三个方面的工作：针对非线性强关联网络化系统，提出了分散状态反馈和输出反馈控制设计系统化方法，去除了现有文献的线性限制条件，研究结果可用于标称非线性系统和强非线性关联情形；首次研究了网络化关联大系统的预定性能控制方法，通过选取暂稳态性能界，提出了控制器设计方法，新方法保证了闭环系统的状态稳定在预定的范围内，研究成果可以应用于更广泛的工业过程系统；研究了非线性输入的网络化关联大系统的有限时间控制问题，考虑死区输入影响，提出了自适应分散控制方法，实现了所有子系统状态有线时间控制。研究结果进一步应用于单主-多从网络化遥操作系统的分散控制，主要做了如下三个方面的工作：融合网络量化参数、时延等实时参数，给出了网络化关联遥操作系统新的稳定性标准，刻画网络时延对系统同步性能的影响，提出了时滞相关的控制器设计方法，降低了现有结果的保守性；针对主从机器人系统存在非线性不确定情形，利用模糊和神经网络智能控制思想，提出了主从机器人自适应有限时间控制策略，新方法保证了主从同步误差在给定的时间内到达零，该结果可应用于远程手术、空间操控等精度要求严格的应用对象；针对同步误差约束问题，提出了预定性能控制设计方法，新方法使得主从误差运行在给定的上下界曲线内，保证系统好的暂态性能和稳态性能。同时增强遥操作系统的透明性能。整个项目发表论文38篇，发表IEEE Trans. 期刊论文10篇，Automatica 2篇，SCI收录36篇。2014年入选了科技部中青年科技领军人次，2015年入选了中组部青年拔尖人才，2016年获得教育部自然科学一等奖。培养的博士生葛超的毕业论文获得了河北省优秀博士论文。