[01809697]基于H-表示的随机Markov跳跃系统的谱分析与H∞控制研究

现代复杂工程系统正在朝着网络化的方向发展,网络化随机系统的控制理论是自动化技术领域的重要前沿研究方向,可以为高速列车信息控制系统等网络化系统的安全可靠运行提供关键技术保障,其蕴含的主要科学问题有：1) 故障检测,2) 状态估计,3)鲁棒控制。然而,传统的故障检测理论并未考虑网络化现象与随机干扰的影响,导致故障误报率和漏报率高;经典的随机状态估计方法在网络化环境下不再适用,致使估计误差偏高;在乘性噪声的干扰下,已有的随机系统鲁棒控制器的存在性条件与求解方法仍然存在本质缺陷。针对这些挑战性问题,项目组围绕网络化随机系统的故障检测、状态估计和鲁棒控制方向的国际热点、难点问题开展研究,取得了系统性创新成果,主要发现点为： 1) 建立了网络化随机系统的鲁棒故障检测理论：构建了全新的观测方程对网络诱导现象进行了统一描述,发现了故障检测性能与网络特性之间的定量关系;建立了网络化随机系统的鲁棒残差生成理论,提出了基于查找表、残差贡献度、加权残差分量比较等多种有效的故障分离策略;提出了一种多元统计过程监控模型与平滑滤波技术相结合的微小故障检测方法,并应用于高速列车制动控制系统测试平台。被控制理论领域著名学者、IEEE Fellow, 美国约翰霍普金斯大学教授James C. Spall作为其二进制子系统新理论的支撑论据之一。 2) 建立了网络化非线性随机系统的状态估计理论：发现了网络环境中的残差自正交原理,推广得到了网络化非线性随机系统的强跟踪滤波理论;给出了一类时变非线性随机系统状态估计器存在的可解条件,揭示了网络诱导现象与估计性能之间的关系。被故障诊断领域著名学者、IFAC Sym. on SAFEPROCESS 程序委员会主席,德国杜伊斯堡埃森大学教授Steven X. Ding评价为“新方法降低了网络环境中参数摄动及未知输入对系统影响”。 3) 建立了随机系统的H2/H∞控制理论：发现了随机H2/H∞控制器可解与Nash平衡点存在的关系,揭示了随机系统与确定系统的本质区别;推导出了非线性随机H2/H∞控制器存在的充分性条件,基于T-S模糊方法攻克了Hamilton-Jacobi方程求解难题;构建了网络化批次过程模型,解决了此类系统H∞容错控制器的设计问题。被随机控制领域著名学者、IEEE Fellow、英国布鲁奈尔大学教授Zidong Wang等推广应用。 经过10年的艰苦攻关,在多个国家自然科学基金的支持下,项目组在相关方向上已发表SCI期刊论文100余篇。8篇代表性论文总他引368次（单篇最高164次）,SCI正面他引301次（单篇最高127次）,1篇论文入选全球ESI 前 1%高被引论文。在Web of Science中,以“networked system（网络化系统）”和“fault detection（故障检测）”为关键词做标题检索,共查到384篇文献,代表性论文2引用次数排名第一;用“strong tracking filtering（强跟踪滤波）”为关键词做标题检索,共查到251篇文献,代表性论文3引用次数排名第二。 此项目已获授权国家发明专利12项,已成功应用于青岛四方所高速列车制动控制系统测试平台,大大提高了检测微小故障的能力。项目完成人中有3人次入选IEEE Fellow、长江学者,1人获批国家基金委优秀青年基金。