网络化控制系统的个人研究经历与展望

游科友
（清华大学自动化系）

　　进入21 世纪，控制原理和方法的应用机遇快速增长。受计算、通信和传感器等技术的有力推动，越来越多的控制系统拥有了嵌入式处理器、传感器和网络硬件。该类控制系统通常被称为网络化控制系统。在2002年，19位国际控制界知名专家历时两年撰写了题为“Control in an Information Rich World”的研究报告。作者在报告中明确地指出了网络化控制系统为本世纪控制领域的关键研究方向之一。至今，网络化控制系统已成为国内外控制领域的研究热点，如IEEE Trans. Autom. Control、Pro. IEEE和IEEE Contr. Syst. Mag.等国际期刊相继出版了以网络化控制系统为研究主题的专刊。美国IEEE控制系统协会创立了以网络化系统为标题的杂志IEEE Trans. Control of Networked Systems。

　　顾名思义，网络化控制系统的特点在于闭环回路中引入了实时网络。我的研究主要是从理论上定量地刻画网络的物理局限性如何影响控制系统的可镇定性、可观性、可同步性等。例如，被控对象与控制器通过无线链路连接，一个基本问题是被控对象与控制器之间至少需要多大的通信数据率才能镇定网络化控制系统。问题的研究可为在信道带宽有限的环境下（如：水声通信）的控制系统的设计提供理论指导。综合信息、通信和控制理论，关于此问题的单回路反馈控制系统的研究成果已相对成熟。但对于具有相互耦合关系的多回路反馈控制系统，因回路之间的相互作用关系使得系统的状态变化难以描述，上述问题的研究依然匮乏。然而网络化控制系统的出现，加速了控制系统往大规模复杂系统的方向发展，该问题的研究预期具有重要的理论意义与应用价值。

　　无线链路的不可靠性也是影响控制系统运行的重要因素之一。直观上，反馈数据丢失太多必然会影响到控制器的反馈能力或估计器的准确性。一个核心问题是为了实现系统的某控制目标，如何定量地刻画其所能容忍丢失的最大数据量。例如，对于部分量测存在丢失的网络化Kalman滤波器，如何刻画滤波器达到稳定性的最大临界丢包概率。此问题可以通过随机Riccati迭代或最小二乘法等手段进行研究。然而，研究丢包对滤波器估计性能的影响因缺乏有效分析工具而未能取得显著性进展。

　　网络化控制系统的另一重要优势在于反馈信息从集中式转变为分布式处理模式。在理想情况下，如不存在通信、计算能力等的限制，高度依赖中央处理器的集中式处理模式因具有更丰富的信息而更加有效。但实时网络不可避免地存在一定的物理局限性，且大系统的组成单元越来越多地选择成本低廉的传感器节点。自然而然，我们希望设计分布式算法使得这些具备一定的计算、执行和通信能力的组成单元通过相互协作等方式达到集中式处理效果，并突破单个个体的极限能力。事实上，分布式信息处理模式在某些情况下具备更好的工作效率和执行能力，并提供一定的冗余度，保证系统高效、安全地运行。与单回路系统不同，大规模系统的特征不仅取决于单个个体的动态特性，还依赖于个体之间的连接结构，其动态特征非常复杂，值得研究与利用，研究方法远非成熟且因问题而异议。

　　选择网络化控制系统为主要研究课题并为此努力，非常得益于前辈们的悉心指导和同行的认可与大力支持。导师谢立华教授、付敏跃教授、丘立教授等树立的良好榜样，是坚持的动力源泉之一。在此深表感谢！

获奖者简介：

　　游科友，清华大学自动化系讲师。2007年获中山大学统计科学学士学位。2007年8月至2011年6月在新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院攻读博士学位，并于2012年2月获得学位。2010年5月至2010年7月，访问澳大利亚纽卡斯尔大学复杂与动力系统研究中心；2011年6月至2012年6月，在南洋理工大学从事博士后研究；2013年5月至2013年7月，访问香港科技大学电子与计算机工程系。

　　研究兴趣包括：网络化系统的控制与估计，分布式算法和传感器网络等领域。在镇定网络化线性系统的最小通信比特率定理、网络化Kalman滤波器的稳定性以及网络化多自主体系统的同步性等问题的研究上，取得了包括美国工程院院士在内的国际同行认可的科研成果。2010年获第二十九届中国控制会议关肇直奖。