基于无源性理论的信息物理融合系统控制方法及其应用

The cyber-physical system is a complex nonlinear system which possesses control attributes essentially. The application of cyber-physical system is conducive to significantly improve and modify the stability, reliability and robustness of engineering systems. The advantages of cyber-physical system root in the deep integration of physical objects and network information, but this also brings severe challenges to the control problems. This project starts from control theory and investigates passivity-based control for the nonlinear cyber-physical system, also the smart grid experimental platform is used to verify the effectiveness of the proposed approaches. The investigation analyzes some complex situations such as, the system contains unknown or uncertain parameters, the resource and energy are limited, the system is consist of many heterogeneous subsystems. To deal with these situations, the project proposes immersion and invariance based robust and nonlinear control, switching-threshold based event-triggered control, Port-Hamiltonian model based distributed Proportional-Integral control and output regulation according to passivity theory, respectively. The project aims to improve performances of the cyber-physical system utilizing passivity-based nonlinear control method, which provides theoretical basis and technical support for the control of cyber-physical system.

信息物理融合系统本质上是一个具有控制属性的复杂非线性系统，其应用有助于大幅提高和改善工程系统的稳定性、可靠性及鲁棒性等性能。信息物理融合系统的诸多优点都得益于物理对象与网络信息的深度融合，但这也给系统的控制问题带来了严峻的挑战。本项目从控制理论的角度出发，研究基于无源性理论的非线性信息物理融合系统控制方法，并利用智能电网实验平台验证控制算法的有效性。研究工作针对系统存在未知或不确定参数、网络资源和能量有限、具有多个异构子系统等情况进行深入分析，在无源性理论的基础上分别提出基于浸入与不变原理的鲁棒自适应控制、基于切换阈值事件触发机制的反馈控制、基于Port-Hamiltonian模型的分布式Proportional-Integral控制和输出调节等控制方法。项目旨在利用基于无源性理论的非线性控制方法，有效提升信息物理融合系统的控制性能，为信息物理融合系统的控制研究提供理论依据和技术支持。

信息物理融合系统本质是一个运行在网络环境中的具有控制属性的复杂非线性系统，其诸多优点都得益于网络信息与物理对象的高度融合，但这也给信息物理融合系统的控制问题带来严峻的挑战,包括网络环境及扰动导致的系统数学模型存在未知或不确定参数、网络带宽和能量有限导致的控制系统性能下降或故障、多个异构子系统导致的难以同时镇定和输出调节等。针对以上问题，本文建立了带有不确定性参数的系统模型，在控制器设计过程中充分考虑系统在实际运行中系统模型可能存在的未知或不确定参数；提出同步设计控制器和事件触发机制的控制方案，通过补偿控制误差克服传统事件触发方法的缺陷；采用PI控制来实现对多个PH系统的同时镇定和输出调节，在实现两个PH系统同时镇定和输出调节的情况下，将得出的结论可以推广到多个PH 系统，最后通过多区域电力系统等算例验证了理论方法的有效性。本项目成果发表论文12篇，授权发明专利3项，形成的控制方法有望应用于电力系统领域。