复杂网络动态系统的性能分析与控制.ppt

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复杂网络动态系统的性能分析与控制,2005-6-252007-3-20,提纲,简历,已取得的主要成果,拟开展的研究工作,致谢,时滞系统的鲁棒控制,非线性动力学系统的参数辨识、控制与同步,复杂网络动态系统的性能分析与控制,通信网络的拥塞控制,无线传感执行器网络通信协议设计,无线移动协调控制技术,2005-6-252007-3-20,1986-1999东北重型机械学院（燕山大学）助教、讲师、副教授1996.9-1999.7哈尔滨工业大学获工学博士学位1999-至今燕山大学教授2000-至今燕山大学控制理论与控制工程专业博士生导师2004-至今河北省工业计算机控制工程重点实验室主任2000.82004.1-2004.7香港城市大学制造工程及工程管理系2005.1-2005.3VisitingProfessor,ResearchFellow2001.8-2001.9香港中文大学自动化及计算机辅助工程系2003.1-2003.2ResearchFellow2002.10-2002.11美国加州大学LosAngeles分校访问学者,一.简历,2005-6-252007-3-20,二、主要工作、创新点及其评价,非线性动力学系统辨识、控制与同步,拥塞控制协议设计实现与性能评估,研究总揽,基础理论（1986-）控制系统（1995-）通信网络（2000-）,泛函微分差分方程振动理论,时滞系统鲁棒稳定性分析和控制综合,通信网络拥塞控制系统性能分析,时滞系统,2005-6-252007-3-20,科研项目,研究工作时滞系统的鲁棒控制非线性动力学系统的参数辨识、控制与同步通信网络的拥塞控制,时滞对系统性能的影响,研究内容及科研项目,2005-6-252007-3-20,取得的主要研究成果概况,2005-6-252007-3-20,第一部分时滞系统的鲁棒控制,1.1不确定线性时滞系统鲁棒控制问题1：

控制器在实际工业过程实现时存在脆弱性和近似性问题,如何在控制器设计时就考虑可能产生的不确定性?

问题2：

针对普遍存在的多面体不确定性参数系统，如何设计合适的L-K泛函来拟合参数结构，从而降低保守性？

问题3：

1D系统鲁棒优化控制方法能否推广到2-D系统?

研究不确定系统弹性控制器设计方法，揭示系统性能之间的关系。

提出双多面体L-K泛函方法，降低系统稳定性分析的保守性。

提出离散2-D系统的鲁棒保性能控制概念和设计方法。

代表性论文：

IEEProc.ControlTheoryandApplication（1999,2001）Int.J.SystemsScience（2003）Circuits,Systems&SignalProcessing（2005）,2005-6-252007-3-20,同行的评价,H.Karand,V.SinghIEEETRAN.CIRCUITSANDSYSTEMS,2004对文IEEProc.,2001的引用和评价：

文13考虑了FMSLSS不确定2D离散系统的保性能控制问题建立了鲁棒控制器设计方法，使得闭环系统渐近稳定并能保证充分的性能指标。

2005-6-252007-3-20,1.2不确定非线性时滞系统鲁棒控制,问题1：

如何放松对非线性时滞系统的假设条件限制？

问题2：

如何避免现有的Backstepping设计方法的循环设计问题?

问题3：

非线性时滞系统模型不能精确已知时，如何设计控制器？

提出未知时滞非线性项的高维有界描述形式，构造新颖的Lyapunov泛函，给出了控制器设计方法。

发现和指出非线性时滞系统基于Backstepping方法控制器的循环设计问题，并进一步给出动态输出反馈递推控制器设计方法，通过选择合适的虚拟控制律，避免了该问题的出现。

结合自适应模糊思想，给出关联非线性时滞大系统控制器设计方案。

代表性论文：

IEEETrans.AutomaticControl（03,04,05）（此刊为控制界顶级刊物）AppliedMath.Computation（04）Int.JofAdaptiveControlandSignalProcessing（05）FuzzySetsandSystems（04,05）,2005-6-252007-3-20,1.3非线性时滞系统基于T-S模糊模型的鲁棒控制,问题1：

如何避免在设计动态输出反馈控制器时遇到的状态与输出交叉耦合的难题?

问题2：

PiecewiseLyapunov方法会人为引入参数的不确定性，从而额外增加系统设计的保守性，如何降低？

提出复合模糊规则和双指标动态反馈控制器的设计方法，给出系统输出子空间和控制子空间的连接桥梁，建立了GPDC设计原理。

提出Piecewise-Fuzzy型前件变量空间的完备等价划分方法，避免现有piecewiseLyapunov方法会人为地引入系统不确定性的缺点。

对通信网络系统的路由器给出控制策略，用以调整路由器算法参数。

代表性论文：

IEEETrans.FuzzySystems（2004,2005a,2005b,三篇长文）FuzzySetsandSystems,2005-6-252007-3-20,第二部分非线性动力学系统的参数辨识、控制与同步,2.1混沌系统的参数辨识和同步问题1：

能否在线辨识未知参数，使得辨识和控制同时完成，而且避免通常情形下对参数微分信号的依赖?

问题2：

参数辨识的思想如何应用于系统的同步控制中？

利用辅助系统信号来隐含状态微分信号，去除了一般辨识过程中对状态微分信号的依赖性。

基于T-S模糊模型，通过求解LMI同时获得参数辨识器和同步控制器的参数，实现对参数未知主从（Master-Slave）混沌系统的同步。

代表性论文：

PhysicsLett.A（2004）物理学报（2001）等,2005-6-252007-3-20,同行的评价,上述提到的方法和许多其它同步方法只有当混沌系统的参数已知时才有效。

要想在两个含有未知参数的混沌系统之间实现同步，不是一项简单的工作，因为同时涉及未知参数的辨识和控制器的设计，关于这个富有挑战性的问题目前很少有相关报道。

关等人应用观测器的思想实现了Lorenz系统未知参数的辨识。

吕等人用同样的方法研究了Chens混沌系统的同一个问题。

该文物理学报，2001被SCI引用27次，其中他引21次，国内外多位学者将这一设计思想融入到系统控制器的设计中。

Chen等人在PhysicsLetterA，2002对该文的评价：

2005-6-252007-3-20,2.2时滞混沌系统内嵌周期轨道的控制,问题1：

时滞反馈控制方法如何推广到时滞混沌系统中？

控制器的时滞和系统时滞如何平衡？

问题2：

?

No如何估计出所允许的控制器时滞上界?

建立时滞混沌系统内嵌周期轨道的时滞反馈控制框架，控制器时滞可以与系统时滞不同。

提出“完整时滞反馈控制器”设计思想，建立了系统时滞、控制器时滞和控制器增益的隐含关系。

代表性论文：

Int.J.ofBifurcation物理学报等,2005-6-252007-3-20,同行的评价,文Int.J.ofBifurcationandChaos，2003被SCI引用11次，其中Sun和Park等人对该文的贡献予以肯定。

SunChaos,SolitonsandFractals,2004评价：

ButseldomresearchersconsideriftheDFCmethodcanbeusedtocontroltime-delaychaoticsystem.Inpaper40,theauthorshaveextendedtheDFCapproachtotime-delaychaoticsystemandthesufficientconditionsforstabilizationandtrackingproblemsviaDFChaveobtainedfromtheresultsbasedonSFC但是很少有研究者考虑时滞反馈控制方法是否可以用以控制时滞混沌系统。

在文Int.J.ofBifurcationandChaos,2003中，作者将时滞反馈方法推广到了时滞混沌系统中，从标准反馈控制的结果中得到了时滞反馈镇定控制和跟踪控制的充分条件Park等Chaos,SolitonsandFractals,2005评价：

Withthismotivation,Guanetal.andSunhaveinvestigatedthecontrollerdesignproblemofaclassoftime-delaychaoticsystemsusingthefamousOGY-method.在这个思想的启发下，关等人和Sun应用著名的OGY方法研究了一类时滞混沌系统的控制器设计问题。

2005-6-252007-3-20,第三部分通信网络的拥塞控制,通信网络系统,端到端时延Tpre:

预处理时间（微处理器）Twait:

等待时间（网络协议MAC）Ttx:

传输时间（数据速率&传输距离）Tpost:

后处理时间（微处理器）,滞后的信息世界！

2005-6-252007-3-20,3.1ATM网络显示速率拥塞控制算法,ATMNetwork,2005-6-252007-3-20,3.1ATM网络显示速率拥塞控制算法,问题1：

启发式算法的稳定性分析和参数设定？

问题2：

ATM网络拥塞控制系统非线性特性的建模和算法设计?

针对网络流量的自相似特性，利用分数自回归积分滑动平均模型拟合长相关特性，提出二次型高斯拥塞控制算法。

提出采用高阶神经网络对ATM路由器非线性队列行为建模，给出自适应显示拥塞控制算法。

代表性论文：

JournalofHighSpeedNetwork（2005）;LectureNotesinComputerScience（2004）等,2005-6-252007-3-20,3.2因特网主动队列管理算法设计和稳定性分析,优点减少包丢失减小队列时延,2005-6-252007-3-20,3.2因特网主动队列管理算法设计和稳定性分析,研究背景：

TCP流体建模静态参数主动队列管理设计：

RED,REM,AVQ基于频域的稳定性分析（广义Nyquist图）,2005-6-252007-3-20,问题1：

网络参数均为时变的，如何保证系统的鲁棒稳定性和自适应性？

问题2：

时变时延对系统鲁棒稳定性的影响？

3.3因特网主动队列管理算法设计和稳定性分析,提出自适应时变参数主动队列管理设计方法，给出YELLOW算法和改进的AVQ算法。

采用时域稳定性分析方法，揭示了时变时延对REM算法鲁棒稳定性的影响和解析特性。

代表性论文：

IEEECommunicationsLetters（2003,2005）ComputerNetworks（2005，26页的长文）,2005-6-252007-3-20,YELLOW算法一文评价,StevenLow计算机网络主编,2005-6-252007-3-20,YELLOW算法一文评价,这是一个有趣的技术,该文提出了新的主动队列管理算法，称为YELLOW。

2005-6-252007-3-20,YELLOW算法一文评价,该文相当完备,该文与目前代表性的AQM算法作了相当详尽的量化比较,性能优越,2005-6-252007-3-20,SAVQ算法评价,该文首次指出了AVQ算法gamma参数设定的敏感问题。

我发现该文是有趣和完好的。

ThepaperisthefirsttopointoutthesubtleproblemforsettingtheparametergammainAVQalgorithm.Ifindthepaperinterestingandsolid.,2005-6-252007-3-20,对REM算法稳定性分析一文的评价,该文首次考虑在非齐次时延情形下REM算法的稳定性问题,ThepaperisthefirsttoconsiderlinearstabilityofREM,withstaticsourcealgorithmandgeneralutilityfunction,inthepresenceofheterogeneousdelay,overasinglelink.Ifindthepaperinterestingandsolid.,2005-6-252007-3-20,加州理工学院Netlab实验室主页,Caltech的Netlab实验室主页引用REM算法稳定性分析一文,2005-6-252007-3-20,发表论文和引用期刊统计,发表论文期刊IEEETrans.OnAutomaticControl3篇IEEETrans.OnFuzzySystems3篇IEEECommunicationLetters2篇IEEProc.ControlTheoryandApplications2篇Int.JournalofSystemSciences1篇ComputerNetworks1篇JournalofHighSpeedNetworks1篇Int.JournalofBifurcationandChaos1篇PhysicsLettersA4篇Chaos,Solitions&Fractals2篇FuzzySetsandSystems2篇Circuits,Systems&SignalProcessing1篇Int.JofAdaptiveControlandSignalProcessing1篇AppliedMathematicsandComputation1篇,2005-6-252007-3-20,发表论文和引用期刊统计,引用期刊IEEETrans.OnAutomaticControlIEEETrans.OnCircuitsandSystemsIEEETrans.OnPowerSystemIEEESignalProcessingLettersIEEProc.ControlTheoryandApplicationsInt.JournalofSystemSciencesInt.JournalofBifurcationandChaosChaos,Solitions&FractalsPhysicsLettersA,2005-6-252007-3-20,四、近期开展的研究工作：

复杂网络动态系统的性能分析与控制,网络化：

控制系统的变革,Mote传感器,CrossbowCompany,无线Mesh网络,有线网络,2005-6-252007-3-20,无线AdHoc网络的定义,无需基础结构，自组织连接,需要有线通信基础设施的支持,2005-6-252007-3-20,无线AdHoc网络的应用,军事,救灾,会议,2005-6-252007-3-20,无线网状网（WMN）的定义,无线Mesh网络中，任何无线设备都可以同时作为接入点和路由器，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。

与AdHoc的最大区别是它通过接入点（AP）接入Internet，而AdHoc独立组建临时网络。

AdHoc,Internet,WMN,2005-6-252007-3-20,无线网状网（WMN）的应用,家用无线宽带；企业内部无线宽带；社区无线宽带；智能交通网络；无线城域网；,2005-6-252007-3-20,无线传感器（WSN）及应用,WSN按照监控的需要，以AdHoc方式部署联网。

WSN的无线节点集信息采集，通信处理于一身。

比拇指还小的Mote传感器,CrossbowCompany,WSN应用防灾野生动物监察智能建筑交通医疗军事,2005-6-252007-3-20,无线传感执行器网络（WSAN）,分布式点到点控制系统,无线传感执行器网络化系统特性：

易于配置、维护；信息丰富、灵活；具有移动特性；造价低，易于市场推广。

未来高性能工业控制系统发展方向！

研究意义：

WSAN是当前国内外学术和应用界的研究热点，跨层优化协议设计和能量意识的协调控制技术是其中的难点问题。

2005-6-252007-3-20,复杂特性,WSAN通信协议体系,WSAN移动控制系统技术,低能量损耗限制,无结构体系,跨层优化通信协议体系,能量意识的协调控制技术,科学问题：

跨层优化协议设计？

跨层优化协议体系下的透明性和可扩展性？

能量受限下的传感器和执行器的自组织协调控制技术？

通信协议性能和移动控制性能的优化？

跨层耦合的复杂性！

移动控制技术与跨层协议相互制约和协调的复杂性！

WSAN：

典型的复杂网络动态系统！

2005-6-252007-3-20,研究手段和创新点,主要研究手段跨层优化体系模型化技术；基于非线性时滞模型的稳定性分析和协调控制技术。

创新点以关联系统观点分析跨层协议的耦合特性，解决跨层协议发展面临的透明性和可扩展性问题；在协议性能限制条件下（自组织控制结构体系和能量限制）优化控制性能，发展具有能量意识的协调控制技术。

2005-6-252007-3-20,预期研究目标,预期研究目标用数学规划和非线性时滞理论揭示跨层协议的各层次之间、跨层协议与移动控制技术之间的协调与制约的复杂特性，建立无线传感执行器网络协议和能量意识的协调控制技术的理论基础；提供具有一般性的实验测试平台，开发具有独立自主知识产权的应用技术，为推进这一领域的发展作出应有的贡献。

2005-6-252007-3-20,研究体系,复杂网络动态系统的性能分析与控制,无线移动控制系统,无线通信网络协议与性能,非线性时滞系统鲁棒性能分析,无线移动控制系统集成技术,应用,复杂网络动态系统性能分析与控制基础理论应用技术,2005-6-252007-3-20,致谢,Thanks,