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1、“985工程”流程工业综合自动化科技创新平台学术方向建设项目指南（第一批）学术方向 复杂工业过程的智能控制与优化责任教授： 杨光红流程工业综合自动化科技创新平台二六 年 五 月 二十八日一、研究方向支持的主要领域复杂工业过程的智能控制与优化方向将开展复杂系统的多目标优化理论与方法研究，容错控制方法研究以提高容错能力和可靠性，考虑在网络化环境下智能控制与优化的新挑战；以及复杂工业过程控制系统中各层次的智能控制与特殊问题研究。主要支持以下研究主题：1）容错控制系统的多目标优化设计方法及应用；2）基于模糊模型的非线性鲁棒与智能控制；3）广义系统的鲁棒控制：不确定性广义系统的鲁棒控制理论、以受限机器人
2、系统、电力系统、经济系统、生物系统为背景的控制器设计方法和仿真。4）切换系统的鲁棒控制、多目标优化设计方法及应用；5）运动目标视觉跟踪技术；6）巡诊查房机器人技术及原型样机；7）网络控制系统：通信网络系统、基于无线传感器网等的控制方法、控制系统优化设计及复杂互联系统协调控制方法。二、研究方向建设的总体目标本学术方向建设的总体目标是：取得一批原创性强的研究成果，部分成果有重大突破并达到国际领先水平，推动复杂工业过程的智能控制与优化理论的进一步发展，以提高我国在相关学科的整体研究水平。具体指标：1）在国内外主要学术刊物和重要国际会议上发表60篇以上论文，其中SCI等检索收录论文30篇，包括在本领域
3、著名国际杂志发表论文15篇；2）争取申请成功4项国家自然科学基金，2项省部、市自然科学基金项目；3）培养博士生和硕士生50名（毕业25名以上）。三、建议课题课题1：容错控制系统的多目标优化设计1.1 研究目的与意义在许多实际工程系统(诸如飞行器控制系统、电力控制系统、网络控制系统等)设计过程中，为了降低由于系统出现故障而带来的损失，通常要求所设计的系统具有可靠性，即所设计的系统要有容错功能。容错控制控制系统是指所设计的控制器不但能对系统正常运行时提供理想的性能保证，而且在执行器、传感器或元部件发生故障时，仍能使闭环系统是稳定的并具有可接受的特性。容错控制方法主要分为：主动容错控制与被动容错控制
4、。主动容错控制是指在故障发生后需要重新调整控制器的参数，也可能需要改变控制器的结构以取得可靠性的目的。主要分成三大类：1)控制律重新调度；2)控制器重构设计；3)模型跟随重组控制。其中控制律重新调度与控制器重构设计方法是以有效的故障检测与诊断为基础的，而这对许多实际工程系统而言是非常困难的。第三类方法，模型跟随重组控制可以避免这一困难，其基本原理是采用模型参考自适应控制的思想，使得被控制过程的输出始终自适应地跟踪参考模型的输出。但这类方法的缺点是很难优化闭环系统的性能。被动容错控制方法是指设计一个或多个固定参数的控制器去达到容错目的，其优点是闭环系统的性能可以得到优化，但一般在系统发生故障后，
5、与系统正常运行时相比，被动容错控制系统的性能会有所下降，甚至无法满足实际的需要。在不使用故障检测与诊断技术的前提下，如何结合被动容错控制方法、模型跟随重组控制方法以及鲁棒自适应控制技术，研究能充分优化闭环系统在不同运行模式下性能的容错控制方法，无疑是非常重要的。本项目将对这一问题进行深入研究，其结果无论对容错控制理论本身的发展，还是对工程控制系统的应用都具有相当重要的意义。本项目的研究将对上述容错控制问题，给出有效的容错控制系统多目标优化设计方法，并使得所取得的成果能够应用于实际工程系统。提出一套能有效计算的数值方法,在理论上能够证明所提出的设计方法能取得比只用被动容错控制方法要好的性能保证;
6、并能通过系统实时仿真来加以验证。预期目标：1）在国内外主要学术刊物和重要国际会议上发表30篇以上论文，其中SCI等检索收录论文15篇，包括在本领域著名国际杂志发表论文10篇;2）争取申请成功1项国家自然科学基金；3）培养博士生和硕士生20名（毕业10名以上）。1.2 主要研究内容本项目的主要研究内容包括：1) 针对执行器与传感器故障的情况，研究容错控制系统的优化设计方法。2) 针对系统含有参数不确定性的情况，研究鲁棒容错控制系统的优化设计方法。3) 将综合所发展的容错控制器设计方法，能够应用于容错飞行控制系统(诸如F-16模型)的设计，并进行实时仿真研究。1.3 研究期限：2005年1月1日至
7、2007年12月31日1.4 拟支持经费：50万元课题2：基于高性能模糊模型的非线性鲁棒控制器的研究2.1研究目的与意义本课题的研究目的是以复杂工业过程的建模与控制问题为背景，以模糊集和非线性系统为主要理论，提出一种高性能的模糊建模方法和模糊控制方法，使研究成果达到国际前沿水平，最终形成高控制精度和强鲁棒稳定的控制方法，并力争形成产品。目前用于模糊控制系统建造的模糊模型结构主要有两类：模糊关系模型和T-S模糊模型。Cao于1997年提出的动态模糊模型本质上也可以看作T-S模糊模型。深入研究上述两种模型会发现如下三个缺陷：(1)辨识上述模型时, 必须辨识模糊模型的前提结构。现有的方法计算烦琐、费
8、时，且难以保证得到全局最优的结构；(2)当基于上述两种模糊模型设计控制器时，通常是对每个模糊子空间的局部模型分别设计控制器，要求所设计的模糊控制规则的模糊前提描述与模型的前提描述完全相同。但是这将给系统的稳定性、鲁棒性设计和分析带来很大的困难。(3)上面两类模糊模型还具有共同局限性：其模糊性或不确定性均来自于模糊产生式规则的前提和结论部分的语言描述。可事实上，操作人员在表达和处理知识和操作经验的过程中，对诸条模糊产生式规则的置信程度（或重要程度）也具有模糊性。只有稳定的控制系统在工程实际中才有意义，模糊控制系统也不例外。由于模糊模型是本质非线性时变模型，因此控制系统的稳定性、鲁棒性设计极为困难
9、，难以提出有效的通用方法。T-S模型因其结构的局部为线性模型，有关稳定性的分析较为完善。以T. Tanaka为代表的学者曾提出了当控制器的前提与模糊模型的前提完全相同时（不允许有任何偏离）的控制系统稳定性设计方法，得到的是在Lyapunov意义下解矩阵Ricatti方程的方法，要求存在公共的正定阵P。很明显对于实际的多变量模糊系统寻找正定阵P是很困难的，有时是无解的。实质上，此类方法最多只分析了该模糊模型的结论存在未建模偏差时，模糊控制器的鲁棒稳定性设计问题。但实际上模糊模型的前提部分也存在着未建模偏差，所以前述假设通常难以成立。因此，这种方法存在着局限性，对于复杂工业过程对象，闭环控制系统的
10、稳定性难以保证。因此，研究高性能的模糊模型结构、建模方法以及相应的模糊自适应控制器设计方法是十分重要的。这项研究将推动模糊自适应控制理论和非线性控制理论的深入发展，同时也可以进一步形成具有自主知识产权的高科技产品，解决工业生产过程中非线性系统控制的许多老大难问题，取得可观的经济效益和社会效益，促进我国工业自动化产品的深入发展。预期目标：1）在国内外主要学术刊物和重要国际会议上发表20篇以上论文，其中SCI等三大检索收录论文10篇；2）争取申请成功2项国家、省部、市自然科学基金；3）培养博士生和硕士生25名（毕业10名以上），培养在职攻读博士学位和博士后的青年教师5名以上。2.2 主要研究内容1
11、）针对数学模型未知的一类多干扰多变量时变非线性复杂对象，构筑一种先进的多维动态模糊模型改进的模糊双曲正切模型；2）综合采用粗糙集理论和模糊聚类分析方法辨识其模型，建立反馈控制器。3）研究小波变换的改进算法，并据此形成新型频域前馈控制方案，解决大时滞和持续的不确定性扰动这两个难点问题；最终形成高控制精度和强鲁棒稳定的控制方法。2.3 研究期限：2005年1月1日至2007年12月31日2.4 拟支持经费：10万元课题3：广义系统的鲁棒控制理论与应用3.1、研究目的与意义广义系统又称为微分代数系统，历经近30年的研究，取得了许多理论成果，并在航空、航天、机器人、电力系统、电子网络、化工、生物和经济
12、等领域得到了一定的应用。目前，广义系统的研究仍然是国内外控制界研究的一个热门领域。广义系统用微分方程和代数方程来表示，描述了一类更为广泛的实际系统模型。尤其是，广义系统具有正常系统所不具有的脉冲行为，致使有关研究变得复杂而结果富于新颖性。因此，对于广义系统的研究，具有重要的学术价值和广泛的实际应用背景。对于广义系统的研究，一些学者考虑导数反馈作用下的广义系统极点配置、脉冲消除和正常化等问题。在这些工作中，导数项系数矩阵是变化的。特别是系统动态阶的变化，往往引起系统极点在无穷区间上变化，造成系统稳定性的改变，或者产生新的脉冲行为。另外，Taniguchi 等人通过实际问题建模，提出了广义T-S模
13、糊系统模型。这个模型在一定前件变量条件下，是一类导数项系数矩阵为时变的广义系统。可见，无论是理论上，还是应用上，广义系统中都存在着导数项系数矩阵变化的情况。同时，导数反馈在广义系统控制中是重要的，也是必不可少的。有关导数反馈作用下的广义系统结构性质分析与相关控制问题的研究，需要进一步地开展工作，来细致地描述和刻画这类系统的形态和性能。本项目研究广义系统的分析与控制的新方法，发展导数项系数矩阵具有不确定性的广义系统的鲁棒控制理论，以及混沌控制理论；以受限机器人系统、电力系统、经济系统、生物系统为应用背景，提出相关的控制器设计方法和仿真程。预期目标：1）在国内外主要学术刊物和重要国际会议上发表30
14、篇以上论文，其中SCI检索收录论文10篇。2）争取申请成功2项国家、省部、市自然科学基金；3）培养博士生和硕士生25名（毕业10名以上），培养在职攻读博士学位和博士后的青年教师5名以上。3.2 主要研究内容1）研究在导数反馈作用下，受控广义系统的性质和性能。细致地刻画系统动态阶的变化和脉冲行为，以及对初始状态的敏感性，分岔、失稳和混沌现象；产生跳跃输入时，系统响应的间断形态；2）探讨导数项系数矩阵具有不确定性时，广义系统结构性质的鲁棒性和混沌想象，以及相关的控制问题，包括鲁棒控制、带有性能指标的优化控制（如H 控制），保成本控制和混沌控制等；3）借助于矩阵不等式方法，以及Matlab软件，求解
15、出对应的控制器，并给出控制器的设计和仿真程序；4）以控制仿真及受限机器人系统、电力系统和生物系统中的实际为背景的应用研究。3.3 研究期限：2005年1月1日至2007年12月31日3.4 拟支持经费：10万元课题4：切换系统的分析与鲁棒控制4.1 研究目的与意义：切换系统（Switched Systems）是一类重要的混杂系统。十几年来，切换系统的研究颇受重视。切换系统有着十分广泛的实际背景,很多实际系统如机器人控制系统、电力系统、交通管理系统、工业控制系统等都不可以简单地用单一的连续模型或离散模型来描述，但却可以用切换系统来描述其动态行为。切换系统作为混杂系统的一类特殊和简化模型，它的研究
16、结果可为混杂系统的分析和设计提供理论、方法上的借鉴和启示。目前关于切换系统研究最集中的问题是稳定性问题，包括三类基本问题：a)任意切换下的稳定性，b)判断某类切换下的稳定性，c)设计切换使系统稳定。其中第三个问题远没有解决，尚无一般方法。单 Lyapunov 函数方法和多Lyapunov 函数方法似为有效的工具。但单 Lyapunov 函数通常不易找出，而多 Lyapunov 函数方法对各子系统的 Lyapunov-like 函数在切换序列上有十分严格的限制。寻求易于计算和检验的稳定性条件仍然是热点问题之一。另外， 如何设计连续控制器和离散切换信号来镇定系统是一个具有挑战性的亟待解决的问题，但
