分布式协同控制的混合智能优化与稳定性-教育部科技发展中心

教育部推荐2014年度国家科学技术奖公示内容项目名称：分布式协同控制的混合智能优化与稳定性项目简介：本项目属于控制科学领域的核心关键基础问题。分布式协同控制由“分布式协调规划”与“状态分布式控制”两个基本要素构成。传统方法往往难以解决协同控制所蕴含的优化实时性与最优性均衡、弱化协同控制的拓扑结构条件及其状态一致性、精确刻画协同控制稳定性与约束条件之间关系等本质科学难题。因此有关分布式协同控制的优化与稳定性的研究具有重要的科学意义和实际应用价值。本项目以陆用武器平台为典型对象，深入研究多自主体系统拓扑结构与协调规划性能以及状态稳定性之间的相关性，建立了探索-开发权衡的理论框架，发现了状态有限时间一致性与拓扑结构间的本质联系，揭示了信息传输不确定性以及未建模动态环境对协同控制稳定性影响的内在规律，形成面向分布式协同控制的混合智能优化与稳定性的理论体系。主要科学发现点为:（1）揭示了协调规划问题的求解难度决定最佳的探索-开发权衡的科学机理，建立了探索-开发权衡的理论框架，发现了源于自然界不同演化机理的智能优化的混合机制，构建了混合智能优化算法的理论体系。在探索-开发权衡理论框架下，进而揭示了临界耦合约束机理，提出了基于自学习的群智能优化理论，有效解决了有限资源的动态分配问题。波兰科学院院士A.Janiak评价该方法可有效搜索最优任务排列。（2）首次提出基于连续状态反馈的有限时间一致性控制协议，揭示了系统拓扑结构对于有限时间一致性收敛速度的影响机理，形成了多自主体系统有限时间编队控制的新理论和新方法。成功解决了具有有界时变时滞和异步信息获取条件下的系统全状态/部分状态的一致性问题。IEEEFellow，IFACFellow，美国Univ.ofCali.的F.J.Doyle肯定我们的工作从系统与控制角度极大的推动了同步问题研究的发展。（3）提出了包含系统状态三重积分的Lyapunov泛函新方法，阐明了协同控制稳定性与网络延时及其变化率的关系，降低了稳定性分析的保守性。针对非完整约束运动体，考虑地面条件的未建模动态，提出了在线学习与变结构控制相结合的自适应鲁棒控制新方法，解决了在网络延时和非理想地面条件下的陆用运动体的高精度控制问题。《IEEETrans.AC》编委，英国Glamorgan大学P.Shi评价我们的工作降低了时滞系统稳定性条件的保守性。在国家杰出青年科学基金、基金委重大国际合作项目、面上、青年基金、总装重点基金支持下，共发表SCI论文83篇，其中5篇入选ESIHighlyCitedArticle，1篇入选TopCitedArticleAwardedbyElsevier，另有4篇入选MostCitedArticlesAwardedbyElsevier，出版学术著作6部。20篇主要论文（其中8篇长文）SCI他引626次，8篇代表作SCI他引452次，单篇最高SCI他引149次。获关肇直奖1项，获批基金委创新研究群体、教育部长江学者创新团队，1人入选长江学者特聘教授，1人获国家杰出青年科学基金，4人获批新世纪优秀人才，1人获北京市优博。获授权发明专利11项。获高等学校自然科学一等奖、二等奖各１项，国防科技进步二等奖1项。上述理论成果与我军装备信息化建设相结合，突破了陆用武器协同的分布式优化与控制的关键问题，在火力指挥控制一体化方面得到成功应用与验证。一、主要完成人及学术贡献陈杰：本项目负责人，代表作[1]的第一作者，代表作[5][7]的主要作者，主要论文[13-20]的主要作者，2部专著的作者，2项授权发明专利的第一发明人，8项授权发明专利的核心发明人。对重要科学发现1,2,3都做出重要贡献。完成了探索与开发权衡取决于优化问题难度的重大科学发现，提出协调规划求解的最优压缩定理。获2013年教育部自然科学一等奖（排名第1）。对该项研究投入的工作量占本人工作总量的70%。王凌：代表作[3]的通讯作者，代表作[2][4]的主要作者。对重要科学发现1做出重要贡献。建立了源于自然界不同演化机理的智能优化的混合机制，创建了求解高维优化问题的混沌优化算法；揭示了资源分配问题中的临界耦合约束机理，在探索-开发权衡与搜索空间压缩理论的指导下建立了基于自学习的群智能优化理论。获2007年教育部自然科学二等奖（排名第2）。对该项研究投入的工作量占本人工作总量的70%。方浩：代表作[8]的第一作者。自2005年起作为本项目的关键核心成员开始从事相关研究。对重要科学发现3做出重要贡献，是2项授权发明专利的第一完成人。建立了增广非完整约束模型，提出自适应鲁棒控制新方法，消除了强突变扰动对理想非完整约束条件的影响。在火力平台、载运平台等陆用运动体系统中取得了良好的效果。获2013年教育部自然科学一等奖（排名第2）。对该项研究投入的工作量占本人工作总量的70%。孙健：代表作[7]的第一作者，对重要科学发现3做出重要贡献。创建了构造包含系统状态三重积分的Lyapunov泛函的新方法，降低了网络化条件下稳定性分析的保守性；揭示了稳定性与网络延时及延时变化率下界信息的关系，建立了补偿网络约束条件的预测控制理论框架与方法。获2013年教育部自然科学一等奖1项（排名第3），获2013年国防科技进步二等奖1项（排名第2）。肖峰：代表作[5][6]的第一作者，对重要科学发现2做出重要贡献。揭示了系统拓扑结构对于有限时间一致性收敛速度的影响机理，首次给出了基于连续状态反馈的有限时间一致性控制协议；提出了有限时间编队控制的新理论和新方法；成功解决了有界时变时滞条件下的全状态/部分状态的有限时间一致性问题。获2013年教育部自然科学一等奖（排名第6）。对该项研究投入的工作量占本人工作总量的70%。代表性论文专著目录[1]JieChen，BinXin，ZhihongPeng，LihuaDou，JuanZhang，Optimalcontractiontheoremforexploration-exploitationtradeoffinsearchandoptimization，IEEETransactionsonSystems,ManandCybernetics-PartA:SystemsandHumans，2009,39(3):680-691[2]BoLiu,LingWang,Yi-HuiJin，AneffectivePSO-basedmemeticalgorithmforflowshopscheduling，IEEETransactionsonSystems,ManandCybernetics-PartB:Cybernetics，2007,37(1):18-27.[3]QieHe,LingWang，Aneffectiveco-evolutionaryparticleswarmoptimizationforconstrainedengineeringdesignproblems，EngineeringApplicationsofArtificialIntelligence，2007,20(1):89-99.[4]BoLiu,LingWang,Yi-HuiJin,FangTang,De-XianHuang，Improvedparticleswarmoptimizationcombinedwithchaos，Chaos,SolitonsandFractals，2005,25(5):1261-1271.[5]FengXiao，LongWang，JieChen，YanpingGao，Finite-timeformationcontrolformulti-agentsystems，Automatica，2009，45(11):2605-2611[6]FengXiao，LongWang，Consensusprotocolsfordiscrete-timemulti-agentsystemswithtime-varyingdelays，Automatica，2008，44(10):2577-2582[7]JianSun,G.P.Liu，JieChen，D.Rees，Improveddelayrangedependentstabilitycriteriaforlinearsystemswithtime-varyingdelays，Automatica，2010,46(2)：466-470[8]HaoFang,RuixiaFan,B.Thuilot,P.Martinet，Trajectorytrackingcontroloffarmvehiclesinpresenceofsliding，RoboticsandAutonomousSystems，2006，54(10)：828–839