江苏中南  |  

系统理论 -复杂系统的涌现与干预

微观层面上相互作用的复杂系统如何导致系统宏观的行为、结构和功能是系统科学的根本问题之一。这类系统由相互作用的多个主体组成,在物理、生态、工程和社会经济等领域广泛存在,例如等离子体、声子、鱼群、鸟群、菌落、机器人编队、无线传感器网络等。本学科集中于几类典型复杂系统集体行为的分析和调控、具有实际工程背景的复杂系统的分布式控制与滤波、网络化系统的牵制控制等问题,研究系统动力学与网络结构的互演化规律,试图揭示系统演化的基本原理,凝炼复杂系统分析的共性方法,不断解决理论研究和实际应用中出现的挑战性问题。

江苏中南该学科方向实力强,取得了多项有重要意义的成果。国内外同行对相关工作都曾给予充分肯定和好评,其中发表在2012年SIAM J. Optimization & Control上的论文被SIAM Review评选为“SIGEST论文”,美国工业与应用数学学会(SIAM)将“SIGEST论文”视为一项奖励,目前尚无大陆学者获此荣誉。学科组成员获得国家自然科学二等奖两项,何梁何利奖等。此外还多次应邀在重要国际会议上作大会报告,包括中国控制会议大会报告(2006)、全球智能控制与自动化大会报告(2008)、复杂性科学国际会议大会报告(2009)和亚洲控制会议大会报告(2013) 。

系统理论 -非线性系统理论

本学科方向旨在非线性系统方向做出国际一流的工作,并引领国际非线性系统领域的重要研究方向。本学科方向主要研究内容包括切换线性系统、无穷维系统的控制与设计、自抗扰控制理论与方法、反馈的能力和极限等。

研究队伍在非线性系统领域解决了很多国际公认的关键性基础问题。针对切换线性系统,发展了矩阵组极小公共测度技术,完整刻画了切换系统的渐近性能,获得了一系列基于递推算法的估计和逼近表示,并将相关理论成果应用于一类微机电器件系统的分析、设计与优化。在无穷维振动系统的控制、设计与镇定研究中,解决了振动控制中公认的关键性基础问题,开创了分布参数研究的新方向,证明了一大类无穷维振动系统具有有穷维系统的性质。自抗扰控制方法由我单位(中科院数学与系统科学研究院)韩京清研究员提出,经过多年发展,已成为一种可处理大范围和复杂结构不确定动态系统控制问题的新方法。我们建立了自抗扰控制方法的稳定性能、瞬态性能和频域性能的理论基础,提出了预测自抗扰、无穷维自抗扰等新控制方法。反馈是控制中最根本的概念,也是一条基本的系统学原理。在不确定性环境下,定量研究反馈机制对付不确定性的最大能力和局限具有重大科学和实际意义,我们开启了定量研究反馈的能力和极限的理论框架,对参数、非参数、半参数以及马尔科夫跳变系统等给出反馈能力的完整刻画。反馈能力的一系列成果得到国际知名专家的高度评价。

江苏中南我们的理论成果和应用方法都得到了国内外同行认可,在控制论顶级期刊中发表论文50余篇,被邀国际数学家大会做45分钟特邀报告、在国际自动控制联合会(IFAC)世界大会做1小时大会报告、在中国控制会议等国际国内会议上做大会报告。利用自抗扰控制的控制方法已完成多项军工项目,我国航空航天核心研发机构官方证明已用于实际产品。

复杂系统建模与调控 -随机系统的建模与控制

随机系统的建模与控制一直是系统控制理论的重点方向。研究内容集中在随机系统、量化系统、非线性系统、多自主体系统、不确定性系统等的分析、参数辨识与集成控制,以及滤波算法与状态估计等方面。

江苏中南该研究团队在随机系统的建模与控制领域取得了一系列国际领先性成果。特别地,在国际上率先提出了基于扩展截尾的随机逼近算法及其收敛性分析,为一大类随机非线性系统的辨识、估计及适应控制问题给出了统一有效的解决框架;率先开展了集值系统辨识和适应控制的研究,开启了一个新的研究方向;研究了多自主体系统中通讯信息量与可趋同性之间关系这一关键基本问题,证明了在一定条件下,可找到分布式协议,使得各自主体间每次通信只需发送至多1比特的信息就能实现整个网络的趋同。该项工作是多自主体系统领域关于趋同算法性能极限与网络拓扑参数和通信数据率相互关系的第一个定量结果,并因“回答了趋同控制所需的最小数据率和趋同收敛速度与通信数据率的相互关系这两个多自主体系统领域的重要问题”而获第7届亚洲控制会议最佳论文奖。

相关论文发表在包括IEEE Transactions on Automatic Control、Automatica等系统控制领域最好的期刊上。团队成员曾获国家自然科学二等奖、美国电气与电子工程师协会会士(IEEE Fellow)、国际自动控制联合会会士(IFAC Fellow)和国际系统与控制科学院院士等奖励和荣誉。

复杂系统建模与调控 -量子系统调控

量子信息与控制是经典信息理论的自然延伸和革命性发展,探索利用量子系统进行信息处理的极限能力和达到或逼近该能力的方法,为信息的表示,传输,储存和计算提供了全新的原理和途径。基于量子物理的量子信息处理具有我们所熟悉的经典方法无可比拟的优势,具有传统信息处理机无法企及的超强能力。

量子系统调控不仅是从物理上实现量子信息处理的核心,也是从实验上验证量子理论和从技术上发展全新的精密仪器所必不可少的。量子系统调控是量子物理,系统控制科学与信息科学等相结合而产生的新兴交叉学科,是当今国际上量子科学及技术领域的重大热点之一, 不仅充分显示了学科交叉的意义和前景, 为很多学科的发展开辟了新的领域,而且会导致量子科技的重大变革。量子系统调控技术已成为各国战略竞争的焦点之一,对科技发展、经济发展、国家安全和未来社会都将会产生深远的影响。

江苏中南我们紧紧围绕量子系统独有的特性,针对一类比较普适的控制模型,基于量子态的鲁棒制备这一基本问题,首次给出了测量通道选取的充要条件,证明了在对付初态不确定性方面量子反馈控制的控制效果仍然优于开环控制等。量子系统调控不仅是量子科技从理论走向实验和向实用化方向发展的瓶颈和必经途径,也是制造高新仪器和设备的核心手段。量子系统调控是个有广阔前景的交叉领域,预示着量子技术激动人心的前景,急需大力发展和推进。

系统分析与集成 -复杂网络的分析与调控

江苏中南复杂网络的分析与调控一直是系统控制理论的重点方向。随着网络科学和数据科学时代的到来,为该方向的发展提出了新的问题。本学科方向旨在复杂网络的分析与调控方向做出国际一流的重要成果,打造具有国际重要影响的学术带头人和杰出人才。团队成员致力于多智能体系统的分析与协调控制、复杂网络的分布式优化、布尔网络的分析与控制、生物网络的建模与优化等问题的研究。

江苏中南该研究团队在复杂网络的分析与调控领域取得了一系列国际领先性成果。特别地,首次提出主动领导者协调跟踪理论,最早对分布式观测器设计中的核心问题进行了研究,解决了部分协调跟踪控制中的基本问题;针对带有不确定等复杂情况下的多自主体调控问题,利用构造分布式内模发展了分布式合作输出调节理论;针对网络拓扑时变情形,提出了联合连通网络拓扑下的协调控制设计与分析方法,进一步揭示了多智能体系统的拓扑连通结构与整体系统动态的本质关系。在布尔网络分析与控制方面提出了基于半张量积的理论框架,解决了布尔网络复杂动力学的核心问题与相关的控制设计方法,有助于解决基因调控网络中的重要问题。并因解决了布尔控制网络的能控性和能观性判据等基本问题获得了三年一度的“Automatica”最佳理论/方法论文奖。

相关论文发表在包括IEEE Transactions on Automatic Control、Automatica等系统控制领域最好的期刊上。团队成员曾获国家自然科学二等奖、美国电气与电子工程师协会会士(IEEE Fellow)、Google学术自动化和控制理论经典论文排行榜的2006年经典论文第二名、“Automatica”2006-2010“高引用论文”奖、中国青年科技奖、中国科学院“卓越青年科学家”等奖励或荣誉。

系统分析与集成 -数控系统控制与集成

高端数控机床是打造制造业核心竞争力的战略性装备,数控系统是数控机床的“大脑”,是决定其性能的关键因素,我国将其列为《高档数控机床与基础制造装备》重大专项的重要内容。

本学科研究团队在数控系统中的最优插补、空间刀补、五轴系统动力学与误差的建模与控制、具有复杂拓扑结构的曲面造型新理论、五轴数控加工中的轨迹规划与干涉分析等方面取得重要成果。研究队伍提出的时间最优轨迹插补算法与误差控制算法,作为高速高精数控的核心算法,效率提高了40%-150%。实现了国产高档数控系统在重大设备的首台应用。获得发明专利三项,论文发表在Robotics and Computer Integrated Manufacturing,Int J Mach Tool Manuf,Computer Aided Design,J Adv Manuf Technol等数控加工国际主要杂志上。

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