网络通信受限下多工位协同运动系统随机失稳及其鲁棒镇定控制研究

The project focuses on tracking and solving the scientific problems of control performance degradation and instability for multi-station cooperative motion system (MSCMS) under limited random communication constraints. System modeling, network topology design and optimization, stochastic stability and robust stabilization control method for MSCMS with random packet losses and time delays, external disturbance and parameter uncertainty constraints will be investigated and analyzed. Firstly, the system modeling will be developed for MSCMS with random network-induced communication delays and packet losses modeled by Markov chains, by combining the networked control system theory, motor excitation characteristics and kinetic dynamics. Secondly, the network topology will be proposed by combining the network spectral characteristics analysis method based on the stability theory of the system. Finally, the stability and robust stabilization for the networked CSCMS will be rigorously analyzed and the stability and stabilization criteria will be obtained by using the spectral mapping analysis method, Lyapunov stability theory, matrix vector representation technique and robust control theory. The project aims to explore some insights of the networked MSCMS modeling and the topology optimization and the networked control methods, and to provide a theoretical basis for realizing the MSCMS networked control with limited communication constraints.

针对多工位协同运动系统在网络环境下运行，通信受限诱导系统性能下降与随机失稳问题，本项目拟开展网络通信受限下，随机丢包时延、外部扰动与参数不确定约束的多工位协同运动系统数学建模、网络拓扑结构设计与优化、系统随机稳定及鲁棒镇定控制方法三方面研究。首先结合网络化控制论及随机论，分析多工位协同运动系统网络动力学特性，采用离散有限模态马尔科夫链刻画网络随机丢包时延，采用有界时变的变量描述外部扰动及系统参数不确定，建立闭环系统数学模型；其次结合系统稳定性，分析网络的谱特性，确定网络拓扑结构；最后结合李雅普诺夫稳定性理论，通过推广谱映射及矩阵向量化表示法，分析多工位协同运动系统在网络通信受限环境下的稳定性，获得系统随机稳定性判据，再结合鲁棒控制论及闭环系统性能需求，研究系统鲁棒镇定控制方法，得到系统鲁棒镇定性判据。研究结果将为网络化多工位协同运动控制系统建模、网络通信拓扑结构优化及控制方法提供理论指导。

多工位协同运动系统基于网络环境运行，网络不可避免的丢包时延等通信约束、外部环境扰动及系统参数不确定导致多工位协同运动系统的控制性能下降甚至随机失稳成为一个亟待解决的工程问题。为了解决该工程问题，本项目主要开展了多工位协同运动控制系统在网络通信受限条件下所诱导出的控制性能随机退化现象缺乏数学方法的准确描述与分析，建立系统动态的数学建模的相关研究。另外，为了充分解决网络通信受限下多工位协同运动系统随机失稳及鲁棒镇定问题，考虑网络结构和控制综合与系统性能之间的复杂耦合性，必须在揭示和分析这种复杂耦合关系的前提下，设法将网络拓扑结构设计与系统鲁棒镇定控制进行综合分析和研究。所以研究多工位协同运动系统在网络通信受限环境下的数学建模，综合研究网络拓扑结构优化及鲁棒镇定是解决以上工程问题的关键。.本项目针对多工位协同运动系统基于网络环境运行的关键问题，主要开展了几个方面的研究。首先，以网络通信受限、外部环境扰动、系统参数不确定作为多工位协同运动系统基于网络环境运行的基本约束，研究了系统的数学建模方法。其次，结合系统稳定性分析，探索网络拓扑结构优化问题，重点对多工位协同运动系统在网络通信受限下诱导的性能下降及随机失稳等核心问题，及其鲁棒镇定控制展开了研究。该项目研究期间取得的主要研究成果以科研论文的形式在国际、国内重要期刊及会议上发表。该项目取得科研成果包括：共发表SCI/EI科研论文20篇，期中SCI检索论文13篇，申请并授权发明专利2项，培养在读硕士研究生及博士研究生累计20余人，其中项目执行期内完成培养硕士研究生6人。已经达到项目预期的科研指标。.研究结果将为网络通信受限下多工位协同运动系统的建模、网络通信拓扑结构优化及控制方法提供研究理论基础和技术支持。