具有冗余通道的网络化切换系统分析与控制问题研究

Switched systems could be used to model the controlled object with multi-mode switching, and to indicate a class of dynamic systems described by certain stochastic process, which has been a hot research topic in the field of system and control. Most of results on the analysis and control of network-based switching systems with packet dropouts are obtained assuming that the data transmissions via a single communication channel. However, it is very possible that multiple channels coexist and the number of available channels is not fixed in the practical applications including wireless sensor network. Such phenomenon has brought new opportunities and challenges for investigating the control problem of network-based switching systems. Assume that the considered system is adjusted via hidden Markov chain and persistent dwell time (PDT) switching signals, respectively, this project will carry out the various problems of hidden Markov jump systems and PDT constrained switching systems in the presence of packet dropouts in the network environment, including stability and performance analysis, controller design. Further, the study will be extended into the control problem of network-based systems as the variation of channels number is governed by hidden Markov chain or PDT switching signal. A part of obtained theoretical results will.be applied to a class of automotive suspension control system. This project aims at developing a more complete control method with respect to network-based switching systems with redundant channels, so that the modeling capability and applicability of the obtained theories of network-based switching systems will be improved in the engineering projects.

切换系统不仅可以建模含有多模态切换的受控对象，还可以表示由某种随机过程描述的一类动态系统，目前已经成为系统与控制领域研究的热点之一。当前网络化切换系统分析与控制的研究结果大部分都是假设数据在单一通道上传输而获得的。在无线传感器网络等实际应用中，诸如多个通道同时存在，可用通道数目并不是固定不变的情况时有发生，这为研究网络化切换系统的控制问题带来新的机遇与挑战。假设系统分别受隐 Markov 链与持续驻留时间切换信号调节，本项目将研究具有冗余通道的隐 Markov 跳跃系统与持续驻留时间受限切换系统的稳定性分析与控制器设计，进而研究通道数目变化受隐 Markov 链或持续驻留时间切换信号支配的网络化系统控制问题。本项目的部分理论研究成果将尝试应用在一类汽车主动悬架控制系统中。本项目拟形成一套较完善的关于具有冗余通道的网络化切换系统的控制方法，提高网络化切换系统在工程项目中的建模与应用能力。

项目执行期间，项目负责人及项目组成员在前期研究基础上，按照项目研究计划开展了一系列创新性研究工作，顺利完成了本项目预期的各项研究内容。项目组研究解决了任意切换与驻留时间切换信号支配下切换PWA系统的稳定性分析与镇定控制问题，基于奇异系统方法，设计了切换PWA控制器；解决了基于隐Markov模型的Markov切换LPV系统的滤波问题，考虑了网络传输通道中噪声的影响；融合了平均驻留时间切换信号的优点，定义了一类改进的持续驻留时间切换信号，解决了切换Lur’e系统的准同步控制问题；基于驻留时间切换信号，研究了一类切换系统的故障检测与容错控制问题，利用子空间方法给出了一类切换残差产生器设计方法。借助驻留时间依赖与参数依赖的Lyapunov方法，实现了故障估计与容错控制的一体化设计；当信息-物理系统中出现周期性DoS攻击时，项目组充分考虑了循环驻留时间切换信号的特征，将源系统转化为一类同时含稳定与不稳定子系统的切换系统，基于循环分段线性Lyapunov函数方法，给出了相应增广系统的控制器设计结果，并将相应理论结果应用在一类地面无人车系统中。.本项目关于一般性切换信号下切换系统分析与控制的研究去除了传统切换系统控制理论在切换信号定义与设计上的许多理想性假设与不足，解决了切换系统控制理论中若干关键科学问题。形成了复杂切换律下切换系统控制及应用的一个较为完备的理论研究体系。相关研究成果在城市交通控制、医疗机器人控制领域具有潜在的应用价值，为切换系统控制理论更好地指导实际工程实践进一步指明了方向。.项目发表SCI检索论文19篇，其中以第一作者在自动控制领域顶级期刊IEEE TAC上发表论文3篇，EI会议论文7篇，授权国家发明专利3项。基于项目研究成果，项目负责人获得了国家自然科学基金面上项目资助，入选了福建省引进高层次人才 (境外B类)、厦门市高层次留学人员，华侨大学引进高层次人才。获得了哈尔滨工业大学第二十届优秀博士学位论文，中国博士后科学基金面上项目一等资助，山东省博士后创新项目专项资金一等资助。依托本项目，项目负责人目前是 IEEE Senior Member，在《European Journal of Control》等6个SCI期刊上组织了与本项目研究相关的专刊6期，并担任《IEEE ACCESS》等国际期刊的编委职务。