● 摘要
网络控制系统凭借布线简单、结构灵活、可靠性高、可扩展性和维护性好等优点，较好地适应了现代飞行器高可靠性、自主性和智能性的要求。然而，共享数据网络所固有的传输带宽及通信协议限制不可避免地带来时延、丢包等非理想传输现象，从而对飞行器的控制性能构成不利影响。此外，飞行器通常基于切换控制策略适应参数时变影响和满足多任务需求，控制策略的复杂性使得网络给控制系统设计带来的挑战更为严峻，因此有必要综合考虑飞行器复杂动态及其控制系统网络特性，从理论层面上研究网络化飞行器的切换控制问题。
本文对网络环境下飞行器切换控制系统的分析与综合问题进行了深入的研究，重点关注网络化飞行器的状态时滞和调参变量时滞对系统稳定性与性能的影响，分别提出适用于不同飞行动态与网络条件的网络化飞行器鲁棒切换控制方法和变增益切换控制方法。论文主要研究工作包括：
1、针对短时延、丢包及定常飞行动态下的网络化飞行器，提出一种基于不确定切换系统的鲁棒切换控制方法。通过增广系统状态，将存在短时延和丢包的网络控制系统建模为包含四个子系统的不确定切换系统，进而提出记忆状态反馈形式的切换控制律。针对被控对象开环稳定和开环不稳的情况，分别基于切换Lyapunov方法和平均驻留时间方法得到保证闭环系统鲁棒稳定且满足给定加权H∞性能的LMI条件。在此基础上，基于锥补线性化技术给出鲁棒切换控制器的迭代LMI求解算法。所提记忆状态反馈切换控制律与无记忆控制律相比具有较低的设计保守性。
2、考虑增益随飞行条件离散调参的硬切换控制策略，针对长时延、丢包及时变飞行动态下的网络化飞行器，提出一种基于时滞切换系统的鲁棒切换控制方法。采用切换系统描述飞行器的时变系统动态，并将控制系统网络的长时延的丢包等效为系统状态和调参变量的时滞，得到网络化飞行器的时滞切换系统模型。将切换信号时滞处理为控制器与被控对象间的短时异步效应，结合多Lyapunov-Krasovskii泛函和平均驻留时间方法分析系统状态时滞和控制器异步切换现象对系统稳定性和加权H∞性能的影响，在此基础上利用锥补线性化算法分别给出鲁棒镇定切换控制器和鲁棒H∞切换控制器的迭代LMI设计准则。
3、考虑增益随飞行条件连续调参的软切换控制策略，针对长时延、丢包及时变飞行动态下的网络化飞行器，提出一种基于时滞多胞系统的变增益切换控制方法。将飞行器的时变系统动态建模为多胞系统，并采用等效时滞统一描述控制系统的长时延的丢包，得到网络化飞行器的时滞多胞系统模型。考虑对象参数速率有界约束及控制器参数异步现象，基于解析几何方法给出对当前参数、次刻参数和时滞参数三元组的多胞描述方法。基于参数依赖切换Lyapunov函数方法得到保证闭环系统稳定性与H∞性能的一般条件，利用多胞关联参数组将其具体化为容易求解的有限维LMI条件，通过向LMI引入自由矩阵变量降低设计准则的保守性。
4、针对提出的网络化飞行器的时滞多胞系统模型，考虑多胞型增益调参方案，进一步研究其有限时间变增益切换控制问题。首先将原系统转化为广义系统形式，在此基础上基于Finsler引理和关联参数组的多胞描述，以有限维LMI形式给出闭环系统有限时间稳定性分析与设计准则；然后将以上结果推广至存在外部扰动的情况，给出保证系统有限时间有界的LMI条件，并针对有限时间有界变增益切换控制问题给出较低保守性的迭代LMI设计准则。基于所得有限时间变增益切换控制器能够有效降低系统瞬态过程的状态幅值，且所考虑的多胞型增益调参方案算法简单，便于实时实现。