负虚系统网络一致性算法及应用研究

Negative imaginary systems is a class of systems with a negative imaginary frequency response. It has received extensive attention since it was presented because it was regarded as an effective method to model the flexible structure. This project is primarily to investigate consensus algorithms of networked negative imaginary systems and its practical applications, such as formation control and cooperative tracking, which provide the feasibility of solving the challenging problems, multiple flexible structure docking. The major contributions of this project include: (1) modeling the multi-dimensional networked negative imaginary systems by the use of topological knowledge; (2) the output consensus of networked negative imaginary systems in the case of both homogeneous and heterogeneous systems as well as sufficient and necessary conditions to guarantee the consensus using negative imaginary systems theory; (3) the robust cooperative control under model uncertainty and external disturbances, such as robust formation control and robust cooperative tracking, etc. This ultimate goal of this project is to explore the frontiers of science, which is cooperative control of multiple flexible structure. It not only broadens the research area of cooperative control, but considers the robustness problem in practical systems, providing theoretical criterions for designing the real systems and thus is vital in applications.

负虚系统是指频域响应在负虚平面以内的一类系统，它作为一种新兴有效描述挠性结构的技术，自从被发现开始就得到了广泛的关注。本课题在多挠性结构对接问题的大背景下，探索多负虚系统一致性算法以及具有实际意义的一系列应用，例如阵形控制、协同追踪等，从而为解决这一系列问题提供技术可行性。本课题主要研究内容包括：（1）负虚系统网络建模研究，采用拓扑学中知识对多维网络系统建模；（2）负虚系统网络的输出一致性问题，考虑同构或异构系统情况下，采用负虚相位系统理论探索一致性问题充要条件并给出收敛域；（3）考虑存在模型不确定性以及外部干扰情况下的鲁棒协同问题，例如鲁棒阵形控制、鲁棒协同追踪等。本课题旨在探索科学前沿问题，即挠性结构控制中的多挠性结构协同控制问题，不仅丰富协同控制领域研究并且考虑实际系统中的鲁棒问题，为实际系统设计提供理论依据，具有重要的意义和应用价值。

进入二十一世纪以来，随着嵌入式计算和通信能力的快速提升，关于多智能体系统的相关研究得到蓬勃发展。2017年国务院发布的关于新一代人工智能发展规划中，将群体智能理论、自主协同控制与优化决策列入，是未来国家重点发展方向之一。本项目以负虚系统为研究对象，开展多输入多输出系统网络建模工作，针对同构/异构网络特点，结合图论相关知识构建鲁棒输出反馈控制器，并开展基于一致性思想的相关应用研究。具体成果如下：首先，拓展负虚系统应用领域，建立基于s域的通用多输入多输出系统协同控制算法框架并给出稳定性分析及收敛域；其次，将一致性思想应用解决多飞行器协同制导问题，避免传统制导问题中的非线性导致的截断误差，以最优轨迹同步抵达目的地；最后，进一步将一致性思想应用解决多传感器协同滤波问题，以个体数量弥补单体技术瓶颈，从而获得更高精度估计。在该项目的支持下，共发表SCI论文9篇，其中顶级期刊4篇，会议论文17篇，此外，发表中文行业论文2篇，其中一篇获2017年度最佳论文。授权国家发明专利2项。培养2名硕士研究生。本项目旨在探索科学前沿问题，不仅丰富协同控制领域研究并且考虑实际系统中的鲁棒问题，为实际系统设计提供依据，具有重要的理论意义和应用价值。