网络化串级切换系统的跟踪控制

In this project, we will study the tracking control problem of networked cascade switched systems, which provides theoretical basis to the distributed control of aero-turboshaft engine with limitations. The scientific problem comes from both the imperfect transformation through networks and the safety protection limitation of distributed aero-turboshaft engines. From the control point of view, we try to find a state-dependent switching signal with dwell time constraint based on multiple Lyapunov functions and multi-layer switching algorithm to coordinate the network-based bi-asynchronous switching signal and co-design the controllers, under which the networked cascade switched system has tracking performance. Specially, we focus on not only the switching signal, but also the system input and output suffered from the network imperfect transmission, so thus the subsystems in the main loop and the minor loop are asynchronous. And the subsystems controlled by the bi-asynchronous switching signal of main loop and minor loop, which leads to the two-layer asynchronous hybrid characteristics of the system.Then, we co-design the network-dependent bi-asynchronous switching signal and cascade tracking controllers for both the main and minor loops, which provide the basic theory and the deign method to improve the control performance of aero-turboshaft engines and distributed cascade control applications.

本项目研究网络化串级切换系统的跟踪控制问题，为具有信息传输受限和安全保护限制的分布式航空涡轴发动机控制提供理论支撑。以网络非理想传输带来的信息受限及发动机运行过程中兼顾安全保护限制等科学问题为背景，寻求在具有驻留时间约束的多Lyapunov函数方法和多层切换算法，协同设计网络化主/副回路串级切换子系统控制器和网络依赖的主/副回路双重切换信号，同时，兼顾双重切换信号的协调，给出网络化串级切换系统跟踪控制等问题的可解性条件和算法。重点揭示切换信号、系统输入、输出信号同时受到网络非理想传输影响下，主/副回路切换子系统异步切换行为，以及如何受控于主/副回路双重异步切换信号，使系统呈现出上、下两层异步混杂特性，近而实现串级结构下主/副回路双重异步切换信号的协调和串级跟踪控制器的协同设计，为航空涡轴发动机控制系统性能的提高与分布式串级控制应用提供理论依据和设计思路。

本项目通过探索航空涡轴发动机分布式串级控制原理及结构，考虑网络非理想传输因素，并兼顾发动机安全保护限制问题，研究了网络化串级切换控制系统的跟踪控制问题。分析了采样、网络诱导延时、数据包丢失和乱序对主/副回路切换子系统动态和主/副回路双重切换信号的异步混杂特性，给出驻留时间意义下系统指数稳定的充分条件，揭示了网络非理想传输因素对系统动态的影响；同时，兼顾双重串级切换信号的协调，给出网络化串级切换系统跟踪控制问题的可解性条件。为有效利用网络资源，从而减少网络诱导延时和数据包丢失的发生，本项目增加了采用主动的事件触发和自触发控制方案节省有限资源的网络带宽，此分析过程也进一步揭示了切换系统事件触发控制的复杂混杂特性，这些扩展性研究也对网络化串级切换系统的跟踪控制及系统的数字化实现提供理论依据。另外，针对网络延时的时变性和不确定性，相对于系统延时的鲁棒性也是项目面临的又一挑战，为此，项目组增加了对PID控制器作用下的系统鲁棒镇定的研究。并在多个体网络化系统中得到进一步推广。对多个体网络化系统的鲁棒性能分析促进了本项目中网络化混杂特性在多个体系统的探索上的延伸。最后，在基于平衡流型展开模型的航空发动机控制、切换正系统的输出跟踪及L1性能以及采用神经网络进行非线性切换系统的建模方面也进行了深入地扩展性探索，这对建立航空发动机模型、满足更高精度的控制要求和鲁棒性提供了强有力的保障，也为航空发动机控制系统的分布式控制应用提供理论依据和新的设计思路。