网络化动态耦合系统中分布式模型预测控制的协同优化

This research proposes a cooperative optimization scheme of distributed model predictive control based on cooperative theory, which is used in the general networked dynamical systems. First, a cooperative optimization control strategy and a distributed model predictive control strategy are combined to propose a cooperative optimization distributed model predictive control structure . In order to guarantee the stability of distributed model predictive control, topology-based cooperative Lyapunov function and the coupled relationship of networked dynamical subsystems will be considered. Second, the convex suboptimization is solved by decomposing systems and seeking the coupled relationship. Then, the relationship between global optimization and local optimization will be obtained. To achieve the method of the global system converging to a global optimization, we propose a cooperative control theorem, which is based on analyzing the subsystems' self-feedback control and the cooperative control of their neighbors. Finally, in the complex topographic environment, a multi-robotic cooperative optimization rescue system will approve the proposed cooperative control method for distributed model predictive control scheme.This research will promote the theoretical and practical development of cooperative control and distributed model predictive control.

本项目基于协同控制的思想，针对一般的网络化动态耦合系统，提出一种分布式模型预测控制协同优化方法。将协同控制方法和分布式模型预测控制方法相结合，建立协同优化的分布式模型预测控制系统结构模型；研究网络化动态系统的耦合作用，寻找基于拓扑的协同李雅普诺夫函数，提出分布式模型预测控制的稳定性保证方法；从系统分解入手，寻找子系统间的耦合关系，求解子系统凸优化问题；建立全局最优与子系统最优的关联，分析各子系统自身的反馈控制行为和邻接子系统的协同控制行为，提出基于全局最优的协同控制律，得到整个系统收敛到全局最优性能指标的方法；通过构建复杂地形环境下的多机器人协同救援实验系统，探讨分布式模型预测控制协同优化方法的实际应用。通过本项目的研究，将为协同控制和分布式模型预测控制技术的研究和应用提供一定的理论和实践基础。

本项目从建立一种基于协同的分布式模型预测控制方法出发，从分析多智能体系统入手，研究了包含考虑通信时延和动态环境协调分布式控制系统框架、分布式协同控制律的稳定性分析、分布式模型预测控制求解与实时解耦合分布式协同控制律设计及多智能体协同系统实验与应用等方面。原有申请书中的研究目标全部完成，并在原有的项目计划上进行了扩展。在分布式控制系统框架的研究方面，在协同控制的分布式系统框架深度结合当前的研究热点，如超级电容充电的研究。同时，在超级电容储能、重载列车制动和多机器人轨迹规划方面建立了分布式模型预测控制系统结构框架。在系统稳定性方面，针对重载组合列车的控制输入具有饱和特性的问题，在考虑含有时变通信延的基础上，提出基于反馈线性化的分布式协同控制律的稳定性分析方法。在优化求解方面根据不同的应用目标研究了包括梯度法、博弈论、极值搜索和智能方法等多种求解方法来获得全局系统最优。在全局协同控制律的设计方面，研究了分布式协同控制系统中的固定频率的滑模电流控制、并联充电机制和多故障诊断等多个方面的问题。受本项目支持，相关研究成果已在《IEEE Transactions on Industrial Informatics》、《计算机应用研究》等国内外知名学术刊物和IFAC、ECCE和CCC等国内外重要学术会议上发表，并参会与同行进行了深入交流。共发表论文34篇，其中SCI收录7篇、EI收录27篇，申请发明专利2项，培养博士研究生2名，硕士研究生5名。