雛鷹展翼欲騰飛

高妍+李吉亮

16歲上大學(xué)，以優(yōu)異成績提前半年拿到碩士學(xué)位；23歲赴澳大利亞攻讀博士，取得首創(chuàng)性成果；27歲在美國紐約大學(xué)理工學(xué)院完成博士后研究，繼而公開競聘成為該院僅有的三個訪問助理教授之一；29歲離職回國，成為東北大學(xué)“百人計(jì)劃”特聘教授；30歲，2013年，他的名字出現(xiàn)在第十一批“青年千人計(jì)劃”公示名單中……

這個充滿“學(xué)霸”色彩的人，就是劉騰飛。

電話采訪中，他笑言自己做學(xué)生的時(shí)候“學(xué)霸”這個詞還不流行，現(xiàn)在成了老師做不成“學(xué)霸”了，但他仍然樂于分享自己成長與科研道路上的所得所思。

專注方向，勇于創(chuàng)新

劉騰飛說自己能夠快速成長，首先得益于研究方向的一以貫之。

劉騰飛碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，因?yàn)槌煽儍?yōu)異，不僅提前半年畢業(yè)，還得到了碩士導(dǎo)師的大力推薦?！八?dāng)時(shí)剛從香港做完博士后回來，就把我推薦給了自己的博士后導(dǎo)師，也就是國際著名控制專家、澳大利亞科學(xué)院院士IEEE Fellow David Hill教授，我跟他攻讀博士學(xué)位。”

博士后階段的導(dǎo)師則是在博士階段就已有默契合作的國際著名非線性控制專家、IEEE Fellow姜鐘平教授，加盟東北大學(xué)也是由他引薦?！安┦亢笱芯渴遣┦侩A段研究的延續(xù)，方向沒有改變，只是后來在研究內(nèi)容上有所發(fā)展?！?/p>

也就是說，從碩士到博士再到博士后，劉騰飛一直專注于系統(tǒng)與控制研究方向，具體涉及非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論、魯棒自適應(yīng)控制、網(wǎng)絡(luò)化控制、分布式控制及其在移動機(jī)器人、流程工業(yè)中的應(yīng)用等。統(tǒng)一的研究方向、多位名師的悉心指點(diǎn)，再加上個人的積極努力，成就了劉騰飛的加速成長。

在短短幾年時(shí)間，他就作為主要研究者在控制領(lǐng)域的幾個重要方向上取得了國際領(lǐng)先的研究成果。其中最主要的是，他首次提出了用于非線性動態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性判定和控制器設(shè)計(jì)的回路小增益理論，并基于回路小增益理論首次解決了非線性系統(tǒng)測量反饋控制、量化控制以及分布式控制等方向中的多個重要問題。

據(jù)了解，穩(wěn)定性是復(fù)雜系統(tǒng)和控制論中的關(guān)鍵核心問題之一，是一般工程系統(tǒng)所必須滿足的基本要求。而現(xiàn)代工程系統(tǒng)愈加復(fù)雜，其內(nèi)部往往由許多子系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)化的形式通過特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)、配合運(yùn)行，這就意味著基于輸入狀態(tài)穩(wěn)定性（input-to-state stability，ISS）的小增益理論無法滿足應(yīng)用需求。在網(wǎng)絡(luò)化背景下，迫切需要建立能夠有效處理多子系統(tǒng)多回路情形的新型分析和設(shè)計(jì)工具。

就是在這樣的背景下，劉騰飛與合作者提出了用于多回路非線性動態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性判定和控制器設(shè)計(jì)問題的回路小增益理論（cyclic-small-gain theory）。該成果的創(chuàng)新之處在于，能夠利用子系統(tǒng)的ISS性質(zhì)，通過判斷網(wǎng)絡(luò)中各回路的增益特性來刻畫整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而極大簡化了復(fù)雜非線性動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性判定。不僅如此，這套理論能夠與經(jīng)典的李雅普諾夫理論充分結(jié)合，為解決該理論一百年來最核心的李雅普諾夫函數(shù)構(gòu)造問題提供了全新途徑，從而成為復(fù)雜非線性系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)的有力工具，其實(shí)用意義已經(jīng)通過解決多類非線性控制問題得到驗(yàn)證。另外，該理論的新穎之處還體現(xiàn)在其通用性，其對連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)以及兩者的混雜系統(tǒng)均有效，表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

與此同時(shí)，劉騰飛在這一理論的應(yīng)用方面，也進(jìn)行了大膽的探索。

在深入研究了非線性控制領(lǐng)域典型的嚴(yán)格反饋系統(tǒng)、輸出反饋系統(tǒng)以及更一般的包含動態(tài)不確定性的系統(tǒng)和關(guān)聯(lián)大系統(tǒng)之后，針對這些重要的、有實(shí)際背景的系統(tǒng)，劉騰飛從非線性動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的角度入手，提出了基于回路小增益定理的控制器設(shè)計(jì)理論。通過多項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新，較好地解決了高階非線性系統(tǒng)的測量反饋控制和量化控制問題。

需要特別指出的是，在不假設(shè)鎮(zhèn)定控制器顯式存在的前提下，劉騰飛首次將用于線性系統(tǒng)量化反饋控制的扇區(qū)約束方法推廣到了高階非線性系統(tǒng)，從而能夠使用工業(yè)中常用的對數(shù)量化器對典型非線性系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)量化控制。針對量化器有限字長所導(dǎo)致的問題，劉騰飛首次提出了基于回路小增益定理的動態(tài)量化控制設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)通過在控制過程中在線調(diào)節(jié)有線字長量化器的量化間隔實(shí)現(xiàn)了對高階非線性系統(tǒng)的全局控制。

同時(shí)，量化控制方法亦應(yīng)用于工業(yè)鎂砂熔煉過程中電熔鎂爐的三相電流控制，提出了實(shí)用邏輯控制策略，用于解決系統(tǒng)中固有的強(qiáng)非線性和大不確定性所造成的困難，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低系統(tǒng)能耗。

此外，他還首次提出了基于回路小增益理論的分布式非線性控制器設(shè)計(jì)方法，并證明該方法能夠較有效地處理信息交換拓?fù)浼s束和不確定非線性動力學(xué)之間的矛盾，且在多機(jī)器人系統(tǒng)的分布式編隊(duì)控制中實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用。

相關(guān)研究成果均已在控制領(lǐng)域的重要國際期刊發(fā)表，其中在國際頂尖期刊《IEEE自動控制匯刊》、《Automatica》發(fā)表論文8篇；作為第一作者同合作者姜鐘平教授、David J.Hill教授在國際知名出版社Taylor&Francis出版專著一部，得到了國際權(quán)威控制專家和同行的廣泛認(rèn)可。

而最值得稱道的是，這些理論成果在多機(jī)器人系統(tǒng)的分布式編隊(duì)控制、交通系統(tǒng)的智能調(diào)度以及鎂砂熔煉過程控制等工程問題中的成功應(yīng)用，不僅預(yù)示著更多與工業(yè)控制密切相關(guān)的控制難題的解決，更為將來更深入的理論研究和進(jìn)一步解決國家重大需求奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

基于此，劉騰飛在2011年中國控制會議上以第一作者身份，獲得我國控制理論界最高水平的青年學(xué)術(shù)獎項(xiàng)“關(guān)肇直獎”。

腳踩大地，期許未來

劉騰飛是在2014年初回國的，在他的計(jì)劃里，回國是必須的，只是早晚問題。而加盟東北大學(xué)，則是出于綜合因素的考慮，科研環(huán)境、學(xué)科積累、團(tuán)隊(duì)情況以及個人發(fā)展等等。東北大學(xué)流程工業(yè)綜合自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，是國內(nèi)控制學(xué)科領(lǐng)域數(shù)一數(shù)二的研究團(tuán)隊(duì)，劉騰飛希望在這里實(shí)現(xiàn)新的突破。

盡管研究內(nèi)容更偏重理論，但劉騰飛一直非常注重與現(xiàn)代復(fù)雜工業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求相結(jié)合，他是兩只腳踩在大地上開展研究的。面對未來，扎實(shí)仍然是他的基本原則—以實(shí)際工程問題為背景，做深做透。

他表示，要“依托東北大學(xué)控制科學(xué)與工程國家重點(diǎn)學(xué)科和流程工業(yè)綜合自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，發(fā)揮東北大學(xué)的專業(yè)、行業(yè)和地域優(yōu)勢，結(jié)合國家重大需求，在前期工作的基礎(chǔ)上針對復(fù)雜工業(yè)自動化系統(tǒng)中存在的控制問題深入開展特色研究。”

比如，針對現(xiàn)有的分布式控制結(jié)果大多考慮比較簡單的智能體動力學(xué)，而難于處理復(fù)雜現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)中普遍存在的強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合、大不確定性等問題，開展多種分布式非線性控制器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化方法研究。

比如，緊緊把握云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等通信新技術(shù)滲透工業(yè)自動化系統(tǒng)的背景下，事件驅(qū)動的控制成為重要發(fā)展趨勢的契機(jī)，借助回路小增益思想，繼續(xù)開展深入研究，為解決事件驅(qū)動的控制在工程應(yīng)用中所面臨的諸多困難提供支持，等等。

現(xiàn)在，劉騰飛已經(jīng)初步組建起一支由副教授、講師、博士后組成的創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)，各項(xiàng)工作也已在循序漸進(jìn)開展。

制造業(yè)是我國的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，流程工業(yè)是我國的特色產(chǎn)業(yè)。李克強(qiáng)總理提出的“中國制造2025”，為高端制造業(yè)的發(fā)展和起飛創(chuàng)造了新的機(jī)遇。

而劉騰飛的目標(biāo)，就是通過研發(fā)新一代流程工業(yè)自動化系統(tǒng)的核心理論與技術(shù)，推動實(shí)現(xiàn)由“中國制造”到“中國創(chuàng)造”的跨越。我們期待，雛鷹展翅，勇?lián)糸L空，廣闊天地縱情翱翔。