通信受限的分布式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與一致性

2015年教育部推薦項目公示材料（自然獎、自然獎-直報類1、 項目名稱：通信受限的分布式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與一致性2、 推薦獎種：教育部自然科學獎3、 推薦單位：東南大學4、 項目簡介：穩(wěn)定性和一致性是保證分布式系統(tǒng)正常協(xié)調(diào)工作的核心性質(zhì)。通信網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)信息擁塞、延時和丟包是不可避免的，它們給網(wǎng)絡(luò)化分布式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和一致性帶來嚴重影響。建立通信受限的分布式控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和一致性分析理論與方法，是網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)高速發(fā)展環(huán)境下控制理論面臨的一個瓶頸問題。本項目面向國家重大需求，在國家自然科學基金重點和面上/青年項目、國家杰出青年基金項目、國家“863計劃項目的資助下，歷時10年，從頻域和時域兩方面研究了通信受限下網(wǎng)絡(luò)信息交互動力學與自主體自身動力學的相互作用關(guān)系，揭示了通信約束對系統(tǒng)穩(wěn)定性和一致性的影響，獲得的主要科學發(fā)現(xiàn)如下：第一，發(fā)現(xiàn)了回路頻率特性曲線的微分幾何特征（曲率、相角速度等）與分布式控制系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的內(nèi)在關(guān)系，拓展了經(jīng)典控制理論中穩(wěn)定性只與系統(tǒng)頻率特性曲線的幾何性質(zhì)有關(guān)的認識。利用這一發(fā)現(xiàn)，徹底證明了關(guān)于時延網(wǎng)絡(luò)擁塞控制穩(wěn)定性的一個著名猜想的正確性，給出比猜想保守性更小的控制增益與通信時延之間的定量關(guān)系，并將結(jié)果進一步延伸到一階和二階主動隊列管理算法，建立了時延通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的一般動力學模型，得到一個通用的穩(wěn)定性頻域判據(jù)。第二，系統(tǒng)建立了統(tǒng)一分析分布式控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和半穩(wěn)定性的頻域理論，并應(yīng)用于非均勻多時延系統(tǒng)一致性分析。在頻域中明確了時延系統(tǒng)對稱性含義，揭示了頻域?qū)ΨQ性對分布式系統(tǒng)穩(wěn)定性和半穩(wěn)定性的影響，提出并證明了具有非均勻輸入時延和通信時延的一階、二階多自主體系統(tǒng)一致性判據(jù)，得到有非對稱連接權(quán)攝動時的魯棒一致性條件；對時延未知的一類高階異質(zhì)多自主體系統(tǒng)，首次指出高階一致解存在的充要條件，并給出一致性協(xié)議的自適應(yīng)構(gòu)造方法，該方法突破了傳統(tǒng)協(xié)議設(shè)計中要求通信時延已知的假設(shè)。第三，明確定義了多自主體系統(tǒng)在通信受限下的可一致性和均方可一致性概念，定量闡述了采樣、噪聲、不確定通信時延和丟包對隨機網(wǎng)絡(luò)下系統(tǒng)可一致性的影響。發(fā)現(xiàn)二階積分器系統(tǒng)可一致的充分必要條件是隨機切換子圖的并圖包含生成樹，網(wǎng)絡(luò)采樣周期、通信時延、以及丟包概率對系統(tǒng)可一致性沒有影響；同時指明這一結(jié)論不能推廣到高階動態(tài)多自主體系統(tǒng)。明確給出高階多自主體系統(tǒng)可一致所容許的通信時延、丟包概率、采樣周期等通信約束的界，并結(jié)合線性矩陣不等式給出一致性協(xié)議參數(shù)的設(shè)計方法。本項目在JohnWiley&Sons出版英文專著1部，獲發(fā)明專利授權(quán)2件，發(fā)表SCI收錄論文41篇，含控制科學頂級期刊Automatica7篇，IEEETrans.onAutomaticControl3篇，網(wǎng)絡(luò)科學頂尖期刊IEEE/ACMTrans.onNetworking1篇。3篇論文入選2014年ESI高被引論文，SCI他引共765次，其中9篇代表性論文SCI他引452次。研究成果獲得國內(nèi)外同行高度評價，引發(fā)許多后續(xù)研究，部分成果被同行直接應(yīng)用。國際控制界頻域?qū)W派領(lǐng)軍人物之一A.Matveev教授認為代表性專著“很好地呈現(xiàn)了頻域方法”。項目第一完成人入選Elsevier“2014年中國高被引學者榜單”。5、主要完成人情況表完成人一姓名：田玉平； 排名：1； 技術(shù)職稱：教授；工作單位：東南大學； 完成單位：東南大學對本項目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻：是整個項目的總體負責人，是重要科學發(fā)現(xiàn)1.1和1.2的唯一發(fā)現(xiàn)人或主要發(fā)現(xiàn)人，重要科學發(fā)現(xiàn)1.3的合作發(fā)現(xiàn)人和領(lǐng)導(dǎo)者。作為獨立作者，發(fā)現(xiàn)了回路頻率特性曲線在微分幾何特征上的差異與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系，建立了分布式控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的頻域方法（代表作 1、3、4）；作為第一作者和通訊作者，證明了Johari-Tan猜想（代表作2），發(fā)現(xiàn)了頻域特性微分幾何性質(zhì)與多自主體系統(tǒng)一致性的關(guān)系，建立了非均勻多時延下系統(tǒng)一致性的可擴展判據(jù)（代表作5、6），給出異質(zhì)多自主體系統(tǒng)高階一致解存在的充要條件和協(xié)議的自適應(yīng)設(shè)計方法（代表作7）。是代表作8、9、10的指導(dǎo)教師和通訊作者。本項目研究工作量占本人工作量80%。曾獲國家科技獎勵情況：無完成人二姓名：張亞； 排名：2; 技術(shù)職稱：副教授；工作單位：東南大學； 完成單位：東南大學；對本項目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻：是重要科學發(fā)現(xiàn)1.3的主要發(fā)現(xiàn)人，是重要科學發(fā)現(xiàn)1.2的合作發(fā)現(xiàn)人。作為主要發(fā)現(xiàn)人，定義了多自主體系統(tǒng)在通信受限下的可一致性和均方可一致性的概念，并在可一致性分析中引入低增益法，建立了采樣、噪聲、不確定通信時延和丟包等通信約束與可一致性的定量關(guān)系（代表作8、9、10）。在本項目研究中的工作量占本人工作量80%。曾獲國家科技獎勵情況：無

6、代表性論文專著目錄序號論文、專著名稱/刊名/作者影響因子年卷頁碼年（卷）:頁碼發(fā)表年月通訊作者/第一作者（中文名）1Frequency-DomainAnalysisandDesignofDistributedControlSystems/JohnWiley&Sons,IEEEPress/Yu-PingTian201208-01田玉平/田玉平2StabilityoftheInternetcongestioncontrolwithdiversedelays/Automatica/Yu-PingTian,Hong-YongYang1.4192004(40):1533-1541200409-01田玉平/田玉平3Ageneralstabilitycriterionforcongestioncontrolwithdiversecommunicationdelays/Automatica/Yu-PingTian1.6932005(41):1255-1262200507-01田玉平/田玉平4Stabilityanalysisanddesignofthesecond-ordercongestioncontrolfornetworkswithheterogeneousdelays/IEEE/ACMTrans.onNetworking/Yu-PingTian2.8112005(13):1082-1093200510-01田玉平/田玉平5Consensusofmulti-agentsystemswithdiverseinputandcommunicationdelays/IEEETrans.onAutomaticControl/Yu-PingTian,Cheng-LinLiu3.2932008(53):2122-2128200809-01田玉平/田玉平6Robustconsensusofmulti-agentsystemswithdiverseinputdelaysandasymmetricinterconnectionperturbations/Automatica/Yu-PingTian,Cheng-LinLiu2.6312009(45):1347-1353200905-01田玉平/田玉平7High-orderconsensusofheterogeneousmultiagentsystemswithunknowncommunicationdelays/Automatica/Yu-PingTian,YaZhang2.9192012(48):1205-1212201206-01田玉平/田玉平8Consentabilityandprotocoldesignofmulti-agentsystemswithstochasticswitchingtopology/Automatica/YaZhang,Yu-PingTian2.6312009(45):1195-1201200905-01田玉平/張亞9Consensusofdata-sampledmulti-agentsystemswithrandomcommunicationdelayandpacketloss/IEEETrans.onAutomaticControl/YaZhang,Yu-PingTian1.9522010(55):939-943201004-01田玉平/張亞10Maximumallowable