项目名称：通信受限下的网络化随机系统的控制与滤波研究

推荐单位：上海理工大学

推荐奖种：自然科学奖

主要完成人：丁德锐，魏国亮，沈波

项目简介：本项目属控制理论与控制工程领域的基础研究。

随机系统的控制与滤波是一门重要且前沿的学科，在航空航天、人工智能、工业、通信等领域获得广泛应用。同时，对自然科学第三次革命的迅速发展起到了积极的推动作用。另一方面，随着网络技术的广泛应用，越来越多的控制和滤波算法的执行高度依赖于通信网络。然而，由于通信带宽的限制，测量丢失、信道衰减和随机非线性等现象的发生给网络化系统的分析与综合带来了诸多不同寻常的挑战。所以，我们亟须在随机意义下对网络化系统进行重新审视，并思考如何将概率论和随机分析等数学工具与通信受限下的控制与滤波理论相结合，形成一套适用于通信受限下的网络化随机系统控制与滤波的新方法。

本项目在国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才计划等课题的资助下，针对随机非线性系统、传感器网络和多智能体系统三个热点领域并结合由于通信受限而引起的多种网络诱导复杂现象，提出了随机系统的控制与滤波研究的新思路、新方法，所取得的研究成果形成了通信受限下网络化随机系统控制与滤波的一套完整的理论体系。主要科学发现如下：

1）针对通信受限的随机时变系统，获得了有限时域H∞性能指标的充分必要条件，并以此为基础，建立了倒向递推Riccati方程形式的集中式、分布式控制器与滤波器的设计方案。

2）针对离散随机多智能体系统，定义了概率有界一致性性能指标，利用停时技术得到了离散时间依概率输入到状态稳定的条件。进而，结合降低通信负担的事件触发协议，建立了仅依赖与网络拓扑矩阵的特征值的、可扩展性的分布式控制器设计技术。

3）针对带有信道衰减的非线性时变随机系统，定义了随机分析框架下的包络约束性能指标。基于集员滤波的思想，建立了基于递归矩阵不等式的包络约束滤波器设计技术。

4）针对概率丢包的网络化系统，建立了保概率集员滤波及其概率依赖的增益调度滤波的分析与设计框架，给出了丢包概率与滤波器参数设计的定量分析理论。

5）针对有限时域线性离散系统，基于Kerin空间线性估计理论，设计了一个集成残差生成、评估和阈值的故障检测系统。

本项目的10篇代表性性论文引用351次， ESI高被引论文6篇，单篇最高SCI他引75次，中国科学院SCI期刊分区（2017年版）TOP期刊论文8篇，国际控制学科顶级期刊IEEE自动控制会刊和Automatica上6篇。10篇核心论文受到多位国际著名学者正面引用，包括美国国家科学院院士、工程院学士、世界科学院院士H. Vincent Poor教授，IEEE Fellow、IFAC Fellow美国国家发明学会会员Frank L. Lewis教授等。项目第一完成人入选2016年上海市青年科技启明星计划，是国际期刊Neurocomputing的副主编，主持完成1项国家自然基金项目。项目第二完成人是德国洪堡学者，入选中国教育部新世纪优秀人才计划，上海市浦江人才计划。项目第三完成人入选首届上海市青年拔尖人才计划和上海市曙光计划，是多个国际期刊或会议的编辑、副编辑或编委。

代表性论文专著目录：

[1]Derui Ding, Zidong Wang, Bo Shen, and Guoliang   Wei, Event-triggered consensus control for discrete-time stochastic   multi-agent systems: The input-to-state stability in probability,Automatica, vol. 62, pp. 284-291, Dec.   2015.

[2]Derui Ding, Zidong Wang, James Lam and Bo   Shen, Finite-horizon H-infinity control for discrete time-varying systems   with randomly occurring nonlinearities and fading measurements,IEEE Transactions on Automatic Control,   vol. 60, no. 9, pp. 2488-2491, Sept. 2015.

[3]Derui Ding, Zidong Wang, Bo Shen and Hongli   Dong, Envelope-constrained H-infinity filtering with fading measurements and   randomly occurring nonlinearities: The finite horizon case,Automatica, vol. 55, pp. 37-45, May   2015.

[4]Derui Ding, Zidong Wang, Bo Shen and Hongli   Dong, H-infinity state estimation with fading measurements, randomly varying   nonlinearities and probabilistic distributed delays,International Journal of Robust and Nonlinear Control, vol. 25,   no. 13, pp. 2180-2195, Jul. 2015.

[5]Derui Ding, Zidong Wang, Hongli Dong and   Huisheng Shu, Distributed H-infinity state estimation with stochastic   parameters and nonlinearities through sensor networks: the finite-horizon   case,Automatica, vol. 48, no. 8,   pp. 1575-1585, Aug. 2012.

[6]Derui Ding, Zidong Wang, Bo Shen and Huisheng   Shu, H-infinity state estimation for discrete-time complex networks with   randomly occurring sensor saturations and randomly varying sensor delays,IEEE Transactions on Neural Networks and   Learning Systems, vol. 23, no. 5, pp. 725-736, May 2012.

[7]Guoliang Wei, Shuai Liu, Yan Song, and Yurong Liu,   Probability-guaranteed set-membership filtering for systems with incomplete   measurements,Automacica,   vol. 60, pp. 12-16, Oct. 2015.

[8]Guoliang Wei, Zidong Wang and Bo Shen,   Error-constrained filtering for a class of nonlinear time-varying delay   systems with non-Gaussian noises,IEEE   Transactions on Automatic Control, vol.55, no.12, pp. 2876-2882, 2010.

[9]Guoliang Wei, Zidong Wang, and Bo Shen,   Probability-dependent gain-scheduled filtering for stochastic systems with   missing measurements,IEEE Transactions   on Circuits and Systems - Part II, vol. 58, no. 11, pp. 753-757, Nov.   2011.

[10]Steven X. Ding, Bo Shen, Zidong Wang &   Maiying Zhong, A fault detection scheme for linear discrete-time systems with   an integrated online performance evaluation,International Journal of Control, vol.87,   no. 12, pp. 2511-2521, 2014.

排名

完成人

技术职称

工作单位

（完成单位）

创造性贡献

曾获科技奖励情况

1

丁德锐

副高

上海理工大学

通信受限下有限时域的控制与滤波

无

2

魏国亮

正高

上海理工大学

概率依赖的随机非线性系统的控制与滤波

上海市自然科学技术三等奖

3

沈波

正高

东华大学

通信受限的故障诊断研究

国家自然科学奖二等奖