基于通信协议的复杂网络同步与牵制控制

The synchronization and control for the complex dynamic network has been extensively investigated, but most of work was done without considering the limitation of the network communication resource. This project aims to investigate the Synchronization and Pinning Control of complex network by taking into account the bandwidth and communication congestion and introducing the communication protocols. The following three common protocols will be considered, which are Round-Robin, Maximum-Error-First Try-Once-Discard Protocol, and Random Access Protocol. In the light of the different dispatch rules of protocols, and their influence on the performance and control design of controlled networks, we intend to propose the feasible scheme of network output, and on this basis, we will study the robust pinning control, and synchronization analysis and design problem for the networks subject to communication protocols. The communication Protocol will greatly increase the difficulty in the analysis of the networks under consideration. Comprehensively utilizing the analytic methods from Graph theory, dynamical systems, control theory, etc., we will design the effective pinning control scenarios, reveal the influence on the dynamics of the controlled networks from the communication protocols, network topology, and control parameters, and establish the quantitative relations between them, and try to optimize the control performance indexes of the controlled networks. The investigation of this project will enrich the theory of network science, and further provide a basis for the design and control of complex networks.

复杂动态网络的同步与控制问题已被广泛研究，但大多数工作都未考虑网络节点间的信息传输具有通信资源限制。本项目拟考虑带宽和通信拥塞等因素，将通信协议引入到复杂网络，以此研究基于通信调度协议的复杂网络牵制控制与同步问题。本项目拟采用工业控制中三类常用的协议：RR 协议、MEF-TOD 协议及RAP协议。根据不同通信协议的调度机制以及对网络性能和控制器设计的影响，建立基于不同协议的网络测量输出方案，在此基础上，研究基于通信协议的复杂网络鲁棒牵制控制，以及通信受限下的复杂网络同步控制的分析和设计问题。通信协议的引入将极大增加了受控网络动力学分析的难度。本项目将综合利用图论，动力系统，控制论等分析手段，设计有效的牵制控制方案，揭示通信协议、网络拓扑、控制参数对受控网络动力学的影响，建立他们之间的定量关系，并寻求优化控制性能指标。本项目的研究能进一步丰富网络科学理论，为网络设计和控制提供理论依据。

网络化系统的控制和滤波问题是当今控制领域的研究热点之一。在网络化系统中，所有系统元件都以网络节点的形式接入一共享的通信网络。为了防止基于网络的数据传输发生数据冲突，通信网络通常都配备了相应的通信协议以分配节点间的通信资源。开展基于通信协议的复杂网络控制与滤波问题的研究具有重要的理论意义和潜在的应用价值。本项目针对通信受限环境下基于通信协议的复杂网络的控制和滤波问题展开了系统的研究。1)研究了在复杂网络只有部分节点信息可用的情形下复杂网络的状态估计问题。分别研究了基于部分节点的观测器基于的状态估计，以及基于部分节点的的随机复杂网络的递推滤波问题. 给出了观测器存在的条件，以及滤波器状态估计的有界性，解决了观测器和滤波器的设计问题。 2）研究采样通信受攻击的一类多智能体网络的一致性。运用Laplacian矩阵的分解和Lyapunov稳定性理论, 导出了在网络在受攻击时多智能体网络达到均方一致性的判据. 3）研究了基于通信协议的复杂网络的控制和滤波问题。引入Round-Robin协议来调度网络节点的传输顺序, 针对数据传输出现错序的情况下，提出一个递推滤波器能够在补偿数据包错序以及Round-Robin协议带来的负面影响的同时, 确保滤波误差协方差的上界存在; 设计了适当的滤波器增益使获得的滤波误差协方差的上界达到局部最小化. 4） 研究了一类基于机器学习的非线性系统的优化控制问题。将所考虑的最优控制问题被转化其等价问题，即求解贝尔曼方程。接下来，利用基于强化学习的方法来求解该方程。 本项目给出一种新算法，证明了算法的收敛性。模拟结果证明，新的算法具有更快的收敛速度。项目研究中，共发表有本项目基金标注的论文35篇，其中SCI论文33篇。项目负责人2018以来四次入选汤森路透公布的全球高被引科学家名录。项目组成员张文兵获一项上海市科学技术奖（2019，一等奖，排名第五），一项安徽省科学技术奖（2020，二等奖，排名第三）。通过本项目的研究，我们锻炼了科研团队，培养了若干硕士和博士，丰富了复杂网络控制与滤波理论。