基于自主网络的复杂系统协调容错控制研究

本项目面向网络线性耦合复杂系统，设计自主网络配置和调节机构，解决网络关联作用下系统的协调容错控制问题。基于复杂网络理论研究复杂系统网络关联特性，并考虑网络正面与负面效应建立网络拓扑结构与系统全局稳定性关系。首先，针对理想网络情况，结合网络调节机构和子系统控制机构共同作用，并根据子系统执行器/传感器故障、控制器故障特征，提出网络自适应调节策略和分布式控制方法实现子系统之间协调容错控制目标，保证并增强复杂系统的安全性和基本性能。其次，针对网络恶化情况，给出可实现系统全局稳定的网络拓扑结构设计条件，并基于该条件设计网络配置机构以及牵制控制策略解决复杂系统合理调配网络资源问题，同时实现系统和网络故障下的协调容错控制。项目理论上进一步研究耦合网络的特性与功能，并以此为基础提出新的容错控制设计方法，拓展现有容错控制的研究内容；工程应用上为连续流程工业生产与电力传输等复杂工程系统的容错控制提供有益探索。

本项目针对网络耦合复杂系统的协调容错控制设计问题提出解决方案。主动容错补偿控制和被动容错优化控制相互融合设计，以及网络和控制器协调补偿内在关系被重点研究。实际中广泛存在的网络链接故障、执行器/传感器故障、控制器/滤波器敏感性、信号采样和扰动时滞等非理想网络等对系统的协调同步产生的影响，以及控制策略的物理实现问题被逐一研究并解决。项目从三个方向考虑解决复杂系统协调容错控制问题。一是分析单个线性系统的执行器/传感器故障以及非敏感控制器/滤波器对系统性能的影响，提出一系列基于自适应技术的容错控制系统优化补偿设计方法。二是针对网络化复杂系统中的链接故障、信号采样和时滞扰动等各类非理想网络特性，建立控制器和网络调节器共同作用的自适应协调设计框架，并揭示网络和控制器协调补偿的一些内在关系。三是设计控制电路物理实现所得到的控制和调节策略。主要内容如下：1）采用直接自适应方法对线性系统提出非敏感容错控制器/滤波器优化设计方法，给出系统故障补偿和系统性能优化相互制约的关系式。2)针对带有网络恶化/信号衰减等网络故障的非线性耦合网络复杂系统，给出保证系统稳定的拓扑结构条件，并设计牵制自适应容错控制器和调节器补偿故障。3)针对带有网络信号采样以及扰动时滞等非理想网络的复杂系统，给出直接和间接自适应容错控制策略，解决非理想因素补偿和性能优化问题。4)基于电路原理，利用运算放大器、电阻、电容、乘法器、直流电机等基本电子元件物理实现所提出的控制和网络调节策略。相关理论成果分别应用于飞行控制等系统仿真研究中。项目的成果拓展了容错控制现有研究领域，并为实现高级容错控制策略的实际系统应用提供积极探索。