非平衡通信拓扑下分布式多机电系统的协调控制研究

Recently, the topic of cooperative control of distributed multi electromechanical systems using networked Lagrange models has received a great deal of attention. Although a lot of results have been achieved for the networked systems with balanced topologies, the analysis and control theory which is suitable for the unbalanced topologies is far from mature. This proposal will focus on the study of distributed coordination control and analysis of networked Lagrange systems with unbalanced topologies. For the networked multi electromechanical systems with unbalanced topologies and unknown dynamic models, we investigate the distributed intelligent coordination control problem by comprehensively using the algebraic graph method,the artificial intelligence method, and the passivity method. Based on the non-smooth analysis approach, the super-twist algorithm, and the method for the design of fractional-order systems, we study the finite time tracking control problem for the networked Lagrange systems with unbalanced topologies and leader-follower structures. Under the case that the networked Lagrange systems with unbalanced topologies are subject to external attacks, we investigate the distributed fault detection and recovery strategies by comprehensively applying the distributed state estimating method, the distributed adaptive threshold method, and the distributed decision-making method. A multi-manipulator testbed will be built and used to test all the algorithms proposed in this proposal. The achieved results in this project will lay a theoretical foundation for the applications of networked multi electromechanical systems in engineering.

采用多个拉格朗日系统的互联模型研究分布式多机电系统的协调控制是当前研究热点，对于平衡拓扑系统的研究已取得相对丰硕的成果，然而适用于更为广泛的非平衡拓扑系统的分析与控制理论还很欠缺。鉴于此，本项目重点研究适用于一般有向非平衡拓扑下网络化拉格朗日系统分布式协调控制器的设计与分析方法。针对非平衡通信拓扑下且动力学模型未知的网络化多机电系统，运用图论法、人工智能方法、以及无源性方法，研究分布式智能协调控制算法；针对非平衡拓扑下且带有领航者的网络化拉格朗日系统，运用非光滑分析方法、超螺旋算法、以及分数阶系统设计方法，研究分布式有限时间跟踪控制算法；针对非平衡拓扑下且网络节点受到攻击的多机电系统，运用分布式状态估计法、分布式自适应阈值法、以及分布式决策方法，研究分布式故障检测与修复算法；搭建分布式多机械臂系统，进行分布式协调控制实验研究。本项目的研究成果将为分布式多机电系统的工程应用奠定理论基础。

网络化多机电系统可广泛应用于工业、农业、能源、军事等多个领域。研究一般有向非平衡通信拓扑下协调控制系统的设计与分析理论是网络化多机电系统工程应用中拟解决的关键问题之一。本项目围绕该问题展开了深入研究，主要研究成果可归为如下三个部分。第一：针对非平衡通信拓扑且动力学模型未知的复杂多机电系统，提出一种新的分布式智能协调控制器设计方法。基于神经网络的万能逼近特性，利用神经网络逼近一个与自身状态和相邻机电系统状态量有关的复合非线性函数，设计一个基于局部位置和局部速度跟踪误差的李雅普诺夫函数，采用构造性设计方法设计分布式跟踪控制器。提出的设计方法可用于解决一大类未知非线性多机电系统的协调控制问题。第二：为解决非平衡通信拓扑下非线性多机电系统的快速、高精度协调跟踪控制问题，运用领航者-跟随者结构体系并结合滑模控制理论和图理论，给出一种新的有限时间协调跟踪控制方法。提出的控制策略能够保证在任意初始条件下，各个机电系统的运动轨迹在有限时间内收敛到设定的滑模面上且在滑模面上实现跟踪误差的有限时间收敛。第三：针对非平衡通信拓扑下的网络化多机电系统，考虑机电系统驱动器存在部分失效以及加性故障的情形，提出具有容错功能的分布式智能协调控制方法。考虑发生驱动器故障以及通信链路故障的情形，提出一种自适应故障容错协调跟踪控制策略。提出的控制策略能够克服驱动器偏差故障、增益故障、通信链路故障、机电系统模型的不确定性以及外界干扰，且不需要故障检测与隔离模块，因此大大减小控制系统的计算和响应时间。进一步考虑到只有部分状态可测且驱动器可能存在故障的情形，提出了一种具有容错功能的输出同步协调控制算法。本项目的研究成果初步建构一般有向非平衡拓扑下复杂多机电系统分布式协调控制器的设计与分析理论，为分布式多机电系统的工程应用奠定理论基础。