有限网络通讯情形下滑模变结构控制方法研究

Networked control system is one of the most significant research topic in international control theory area. However, the obtained results in the existing literatures are mostly focused on linear control design approach, and there is few work on nonlinear controller design with model uncertainty, external disturbance and unknown nonlinearity being taken into consideration. It is well known that sliding mode control is robust to the matched disturbance, model uncertainty and nonlinearity, and the design and analysis of network-based siding mode control possesses a significance and extensive application in practical engineering. On the other hand, network-induced transmission delay, data packet losses and quantization error bring difficulty and challenge to traditional sliding mode control theory. Due to this fact, this project will adopt singular perturbation theory, Delta operator theory to model and deal with these network-induced issues. Combining with sliding mode control theory and digital control theory, we analyze and investigate the problem of network-based sliding mode control for complicated nonlinear dynamic systems. Based on our previous research work, the aim of this project is to build a systemic and complete theoretical framework for sliding mode controller design of networked control systems, and improve the applicability of networked control systems and sliding mode control in practical engineering.

网络化控制系统是当前控制领域的研究热点和前沿课题。现有的网络控制系统的理论结果大多是基于线性控制方法展开研究的，很少考虑存在模型不确定性、外界扰动以及未知非线性情形下的非线性控制器设计问题。滑模控制对匹配的外界扰动、模型不确定性和非线性具有完全的鲁棒性，研究网络通讯情形下滑模控制系统的分析与设计问题具有重要的研究意义和应用前景。另一方面，网络数据通讯中的传输延迟、数据丢包、量化误差等问题给传统的滑模控制理论技术提出了新的困难和挑战。本项目将采用奇异摄动系统理论、Delta算子理论等方法对网络诱导因素进行建模和处理，同时结合滑模控制理论和数字控制理论,对网络环境下的复杂非线性动态系统的滑模控制器设计问题开展深入分析和研究。本项目基于前期的研究工作基础，旨在建立一套关于网络控制系统的滑模变结构控制器设计方法的较为完整的理论体系,提高网络控制系统和滑模控制理论在工程实践中的应用能力。

本项目基于变结构控制理论、自适应控制理论以及矩阵分析技术，研究了网络通讯约束下（通讯时延、丢包、信号量化、高频采样）各种滑模控制器的分析和设计问题；并考虑外部扰动、系统模型不确定性，以及传感器和执行器故障等因素，开展对应的抗干扰和容错滑模控制问题的研究工作；此外，项目组着力于在预期的理论研究完成的基础上，结合哈工大的航天工程项目，将所获得的理论结果在编队航天器的轨道/姿态协同控制的半物理仿真平台中进行验证。本项目的宗旨是提出一套网络通讯约束下较为完备的复杂动态系统滑模容错控制技术与方法，并为自动化和航天领域的工程技术人员提供理论支撑和创新性参考技术。项目组成员在国际SCI期刊上发表论文26篇，其中包括3篇《Automatica》论文，5篇IEEE Transactions系列汇刊论文，2篇SCI论文入选ESI高被引论文。项目负责人刘明入选2018年国家万人计划中组部青年拔尖人才支持计划，同时入选2018年Clarivate Analytics全球高被引科学家。本项目培养了硕士生8名（4名毕业），博士生11名（2名毕业）。