[01272122]复杂网络化动态系统协同控制理论及应用

课题来源与背景：

课题来源于国家自然科学基金委，国家杰出青年科学基金-网络量化系统的控制理论及应用（批准号：61425009）项目针对网络化系统中存在的难点问题，从状态估计、协同控制、智能控制三个方面进行了研究，解决了网络量化系统在耦合结构时变、不可靠传输、领导者不确定、非严格反馈下的状态估计问题与同步控制问题。

为复杂动态系统的分析研究奠定了坚实的理论基础。

课题背景：

复杂动态系统的分析、状态估计与协同控制一直是控制理论的研究难点，相关研究成果可为多自主体无人系统及工业互联网等的安全高效运行提供基础理论和应用保障。

然而，传统的鲁棒分析方法对特殊复杂动态特性系统分析具有极大保守性;在网络资源受限、特别是信息不完备情况下，传统的估计方法难以实现系统状态的快速精准估计;面对节点不可靠情况下的实际协同控制问题，现有假设存在本质缺陷。

美国工程院院士Richard M. Murray等一批著名的控制领域专家均曾指出：网络资源受限和信息不完备情况下的系统分析、状态估计和协同控制一直是复杂动态系统运行控制领域亟待解决的困难性问题。

2.研究目的与意义：复杂动态系统具有特性复杂、不确定性强、网络配置深度嵌入等特点，因此它的稳定性分析、状态估计与协同控制是控制理论的研究难点相关研究成果可为无人自主系统研发及产业化提供强大的理论与技术支撑。同时，复杂动态系统的研究在《新一代人工智能发展规划》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要》等国家重大战略规划中均有部署。

复杂动态系统特性日益复杂、传输数据海量增长以及节点故障的不断攀升使得复杂动态系统的稳定性分析、状态估计与协同控制面临巨大的挑战，迫切需要解决面向复杂动态特性的稳定性分析方法、网络资源受限下的状态估计与领导节点失效情况下的协同控制问题。

3.主要论点与论据：（1）系统分析：具有特殊复杂动态特性系统的性能分析与控制器设计工程控制系统存在切换、参数时变等内在特性，面临着输入时延、外界扰动等外在干扰。传统的鲁棒分析方法在处理这类具有复合干扰的动态系统时具有极大的保守性，控制器性能难以保证。

因此，本项目分析并揭示了系统切换，参数时变等复杂动力学特性与系统稳定性之间的内在联系，阐明了不确定性、随机时滞和外部激励等多种扰动因素对系统不同性能造成的影响;同时提出了具有时变增益的控制器设计方法，突破了时域控制器设计的难题。

（2）状态估计：网络资源受限下系统状态的快速精准估计由于网络资源受限，复杂动态系统常常存在不确定时延和数据丢包现象。传统的卡尔曼估计方法和龙伯格估计方法已不再适用。现有估计方法明显具有两种局限性：一是无限时间估计不能满足有限时间快速估计要求;二是估计精度不能满足实际需求。因此，本项目发现并揭示了网络拥堵情况下局部数据交换方式与数据完整性及可靠性之间的内在联系，提出了基于网络调度策略的分布式状态快速估计方法，显著降低了网络资源受限对状态估计性能的影响。

（3）协同控制：网络资源受限和领导节点不可靠情况下的协同控制现有复杂动态系统的分布式协同控制策略假设：每个领导节点能力相同且永远不会失效;网络通信随机中断不会造成网络节点失联。IEEE\IFAC Fellow Jie Huang教授等人曾明确指出上述假设与实际相差甚远。

因此，本项目率先提出了新型双层协同控制策略，消除了领导节点不可靠和节点异构对系统协同性能的影响;提出了基于边缘节点状态预测的事件驱动协同控制方法，克服了网络节点因通信中断而失联的本质难题理论成果已成功应用于自主开发的系列无人自主系统中，研发了水空、陆空、水陆两栖变结构自主无人机\无人车等无人自主系统，实现了异构无人系统在复杂跨域环境下的编队控制并在部分场景和行业中进行了示范应用。

创见与创新：1)具有特殊复杂动态特性系统分析与控制方法：分析并揭示了系统内在复杂动力学特性以及外在多种复合干扰与系统稳定性之间的关联关系，给出了系统分析新方法，极大地释放了现有条件的保守性，有效保证了复合干扰下系统性能。

2)资源受限情况下复杂动态系统状态的快速精准估计理论：揭示了网络数据传输性能与网络资源调度之间的内在规律，给出了基于网络资源调度策略的分布式状态估计方法，显著提升了网络资源受限情况下状态估计的速度和精度。

3)网络资源受限和领导节点不可靠情况下的协同控制理论：分析并揭示了网络通信中断和领导节点不可靠对协同控制性能的影响，突破了现有编队控制方法依赖可靠领导节点的局限性，克服了网络节点因通信中断而失联的本质难题。

5.社会经济效益，存在的问题：基于相关理论成果，本项目已成功研发系列无人自主系统——“水空两栖变结构无人机”、“陆空两栖变结构无人机”和“水陆两栖变结构自主无人车，并在部分场景和行业中进行了示范应用。目前，变结构无人自主系统已在消防探测、物资运输、水库和海底电缆巡检等方面实现了产业化应用，并与相关单位达成了未来合作意向，具有一定的社会经济效益与研究价值。

6.历年获奖情况：无。