近日，中國(guó)科學(xué)院空間精密測(cè)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郝偉、謝梅林研究員團(tuán)隊(duì)在多設(shè)備彈性協(xié)同控制研究取得進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表于IEEE Transactions on Industrial Electronics。論文第一作者為西安光機(jī)所博士研究生唐輝霖，通訊作者為王帆副研究員。
多設(shè)備協(xié)同控制是分布式網(wǎng)絡(luò)與大規(guī)模智能系統(tǒng)的核心支撐技術(shù)之一，但其分布式開(kāi)放架構(gòu)易面臨欺騙攻擊等網(wǎng)絡(luò)物理威脅，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行中常伴隨執(zhí)行器增益故障、參數(shù)不確定性多重耦合等復(fù)雜問(wèn)題?，F(xiàn)有控制方法多針對(duì)單一問(wèn)題設(shè)計(jì)，難以同時(shí)有效應(yīng)對(duì)攻擊與故障疊加的復(fù)雜工況，成為制約多設(shè)備系統(tǒng)可靠運(yùn)行的技術(shù)瓶頸。
針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出彈性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助的模型參考自適應(yīng)滑?？刂撇呗裕瑥膭?dòng)力學(xué)分解、觀測(cè)器設(shè)計(jì)與控制律重構(gòu)三個(gè)層面系統(tǒng)提升控制彈性。
該策略將系統(tǒng)不確定動(dòng)力學(xué)拆解為已知標(biāo)稱(chēng)部分與復(fù)合未知部分，采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障與不確定性耦合形成的復(fù)合未知項(xiàng)進(jìn)行實(shí)時(shí)逼近；參考模型僅由領(lǐng)導(dǎo)者輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)，無(wú)需獲取領(lǐng)導(dǎo)者自身的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，大幅降低了協(xié)同架構(gòu)的通信與計(jì)算負(fù)擔(dān)；在滑模面中嵌入?yún)⒖寄Ｐ透櫿`差，通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器與自適應(yīng)控制律主動(dòng)補(bǔ)償故障與不確定性的主體影響，再利用滑?？刂埔暂^低的切換增益抑制殘余誤差，從源頭上有效削弱傳統(tǒng)滑?？刂频亩墩駟?wèn)題，兼顧了控制精度與系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性。
圖1 多機(jī)械臂協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
研究團(tuán)隊(duì)基于 OpenManipulator 平臺(tái)搭建了多機(jī)械臂協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)置多組攻擊注入與故障模擬工況，與 PID 控制、滑?？刂?、模型參考自適應(yīng)控制以及擾動(dòng)觀測(cè)器控制等主流方法開(kāi)展系統(tǒng)性對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在動(dòng)態(tài)跟蹤精度、收斂速度及抗擾魯棒性方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，能夠在攻擊與故障并存的復(fù)雜場(chǎng)景下持續(xù)保持穩(wěn)定的協(xié)同控制性能。
圖2 多重不確定性耦合場(chǎng)景下多設(shè)備協(xié)同跟蹤結(jié)果
（左：跟蹤誤差對(duì)比；右：控制輸入對(duì)比）
唐輝霖介紹，“多設(shè)備協(xié)同就像一支樂(lè)隊(duì)在演奏交響樂(lè)，但如果有黑客故意篡改樂(lè)譜（欺騙攻擊），或者樂(lè)器突然跑調(diào)、琴弦松動(dòng)，整個(gè)演出就會(huì)亂成一團(tuán)。我們提出的新技術(shù)相當(dāng)于給每位樂(lè)手配備了一位‘智能糾錯(cuò)指揮家’，他不僅能實(shí)時(shí)聽(tīng)出誰(shuí)被干擾或出了故障，還能在不打斷演奏的情況下自動(dòng)補(bǔ)位、修正節(jié)奏。這套方法把復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題拆解開(kāi)來(lái)處理，讓這支樂(lè)隊(duì)即使在遭遇惡意搗亂和設(shè)備老化的雙重困境下，依然能精準(zhǔn)、平穩(wěn)地完成合奏?！?/span>
研究為分布式多設(shè)備系統(tǒng)在惡意攻擊與多重不確定性耦合場(chǎng)景下的彈性協(xié)同控制提供了新的思路與理論支撐，突破了傳統(tǒng)方法單一場(chǎng)景適配的局限，在廣域目標(biāo)監(jiān)視、多光電設(shè)備組網(wǎng)協(xié)同、低空反蜂群無(wú)人機(jī)防御等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值與廣闊的發(fā)展前景。
成果得到中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金的支持。
