网络化2-D非线性系统建模、控制及在轧制系统中的应用

Two-dimensional (2-D) systems can perfectly describe the relationship between time and space of the controlled systems. Thus many 2-D engineering systems exist in the field of industrial process. With the increasing application of networks in the industry, analysis and design for 2-D systems are facing new challenges from communication quantity and available limited bandwidth of network channel. For networked nonlinear 2-D systems, this project will propose a systematic method on modeling, analysis and design. Firstly, the problem of modeling the networked nonlinear 2-D system is considered. Integrating parameters of network communication delay, quantity and packet-losing, a Markov switched nonlinear 2-D dynamic model will be established. Secondly, we perform the performance analysis of bandwidth-limited networked 2-D dynamic system and present the input-to-state stability criteria. Furthermore, we study the control problem. Based on the obtained model, the design methods of state feedback controller and output feedback controller will be proposed. Finally, the results are applied to industrial rolling process system and the high-speed and high-precision control algorithm are presented. The research achievement of this project will enrich and develop the basic control theory of nonlinear 2-D systems and provide theory and methods for 2-D practical engineering field.

二维(2-D)系统能很好地描述被控对象在时间和空间的演化关系，在工业过程领域广泛存在。随着网络在工业现场的普及，通信量化和网络信道可用有限带宽对2-D系统的分析与设计提出了新的挑战。本项目针对网络化非线性2-D系统展开研究，提出系统性的建模、分析和设计方法。首先，研究网络化2-D非线性系统建模问题，融合网络传输时延、量化和丢包等参数建立Markov跳变2-D非线性动力学模型；其次，考虑带宽约束条件下网络化非线性2-D动力系统的性能分析问题，给出系统的输入到状态稳定性标准；进一步研究网络化非线性2-D系统控制问题，基于建立的Markov跳变2-D非线性时滞模型，提出系统的状态反馈控制器设计方法和输出反馈控制器设计策略；最后将研究结果应用于工业轧制过程系统，给出轧制高速高精度厚度控制算法。项目研究成果将丰富和发展非线性2-D系统控制基础理论，为2-D实际工程领域提供理论和方法。

2-D系统是指动态过程依赖于水平和垂直两个独立状态进行变化的系统，在现代工程领域广泛存在，例如轧机和空气干燥过程等。同时，工业工程越来越多地应用网络化控制。2-D系统的分析与设计和网络化控制问题已成为国内外众多学者的研究热点。本项目聚焦于网络环境下2-D 非线性系统的建模、性能分析和控制问题，并将结果应用于轧制系统的设计问题。对于2-D非线性时滞系统，做了三个方面研究工作：针对2-D区间时变时滞系统，运用2-D Jensen 不等式、时滞分解等方法处理函数差分，所提出的稳定性准则保守性更小；研究了一类具有未知磁滞输入的关联非线性时延系统，设计降阶观测器，采用自适应方法避免了构造磁滞逆模型带来的问题，从而达到镇定系统状态的目的；最后，研究了非线性前馈时滞切换系统在任意切换下的状态反馈镇定问题，考虑时滞对系统稳定性造成的影响，引入控制器比例参数，将齐次主导方法用到前馈切换系统的控制器设计过程中，保证子系统在任意切换下的稳定性。研究结果进一步应用于网络化2-D非线性系统，主要做了三个方面研究工作：针对网络化2-D非线性系统的稳定性问题，考虑网络协议、随机包丢失、网络时延等因素，建立Markov 跳变2-D线性滞后系统，将2-D有限和不等式与凸组合不等式相结合处理函数差分，降低了现有稳定性结果的保守性；针对具有时变时延的网络化遥操作系统的主从力矩设计问题进行了研究，利用T-S模糊和区间时间分析方法，考虑了遥操作系统时变时延上界和下界对系统性能的影响，新方法放松了增益等参数的限制条件，使得研究结果的应用范围更加广泛；研究位置误差约束的双边遥操作系统有限时间控制问题，采用新型TSM控制方法，使系统性能更加优越，更能满足实际系统操作的速度和精度需求，保证系统好的暂态性能和稳态性能。整个项目发表论文13篇，已录用1篇，发表IEEE Trans. 期刊论文3篇，SCI收录8篇。