基于网络化内模和分布式观测器设计的非线性分布式输出调节

The distributed output regulation problem, which inherits the essential elements of the classical output regulation theory and the distributed, cooperative control strategies, is one of the most emergent and challenging problems in the field of networked control system. For the cases where the heterogeneity of nonlinear dynamics, the dynamic couplings and the measurement constraints are all involved in the settings of the problem, the existing methods are not applicable in certain sense. It deserves our further consideration to exploit the distributed control strategy and to explore its potential benefits to our concerned problem...In this project, we aim to systematically develop a framework to tackle the global robust distributed output regulation problem for a class of networked systems composed of heterogeneous nonlinear subsystems with output couplings. The measurable information for each subsystem is defined by a digraph that characterizes the topology of the sensors network. Based on the novel kind of networked internal models and distributed observers, the constructive distributed nonlinear feedback control law will be proposed to solve the relevant problem via measurement output and the relative information exchanged among neighboring controllers. It can be witnessed that such techniques will help us to remove certain restricted assumptions on the topology of the sensor network and the structural constraints of the subsystems, and to simplify the design procedure. Moreover, the two-layers sensor-controller network architecture will facilitate us with the further implementation of distributed control strategy in different scenarios.

非线性分布式输出调节是经典的输出调节理论与分布式、协作式控制策略结合并衍生出的一类新的控制理论问题，具有重要的理论与应用价值。此类问题现有的研究结果多基于由孤立子系统构成的网络化系统，未充分考虑子系统间可能的动态耦合，所采用的控制设计也受限于网络结构与子系统非线性结构，研究对象与技术方法都亟待扩展与完善。. 本项目将对由异构子系统构成的非线性网络化系统，在子系统间存在动态耦合且测量信息由连通有向图定义的情况下，研究如何系统地解决其全局鲁棒分布式输出调节问题。我们将在综合考虑控制策略选择的基础上，以一类新型网络化内模的设计为重点，发展并完善基于分布式观测器的输出反馈设计，最终实现分布式反馈控制律。预期的研究结果将突破基于单层传感器网络的设计思想，弱化对网络结构和子系统非线性结构的限定，提高方法的适用性，降低设计的复杂度，形成一套基于传感器、控制器双层网络结构的综合设计方案。

在本项目中，我们针对由异构受控子系统构成的非线性网络化系统，在子系统用于反馈设计的测量信息由连通有向图定义、且子系统间可能存在动态耦合的情况下，研究了如何系统地解决其全局鲁棒分布式输出调节问题。.针对该类问题，我们提出了一类基于输入驱动滤波器的设计方法。有别于基于分布式观测器的设计方法，该类滤波器仅基于针对受控子系统设计的控制输入信息，即可重构受控子系统的部分状态信息，其作用等同于观测器。但从控制策略的角度，该类滤波器无需在受控子系统的控制器间进行信息交换，从而简化了控制器网络。在此基础上，我们结合了基于内模的控制设计和非线性控制技术，可针对给定的某类型非线性受控子系统，通过一次性设计，实现鲁棒自适性控制律，解决相应的分布式输出调节问题。.上述设计方法，放宽了对传感器网络的限定条件，设计过程仅针对受控子系统进行，不依赖网络规模、网络结构与网络参数等信息，传感器网络可在满足基础连通性假设的情况下，完全未知；同时扩展了传感器网络的类型，可从常见的“合作型网络”拓展至“合作—竞争型网络”，并通过建立两种网络情况下输出调节问题的一般等价性条件，解决“合作—竞争型网络”下的二部输出调节问题，从而扩展了控制问题的研究与适用范围。同时，此类设计方法，较之已有工作，只需针对某类型受控子系统进行一次性控制设计，避免了因网络或系统参数改变进行重复设计；且控制器间无需进行信息交换，从而整体上简化了控制器设计与控制器网络设计，降低了设计的复杂程度，适用于多类型异构受控子系统共存的情况。.