用新一代工業自動化系統理論推動實現“中國創造”

肖延勝

學習自動化專業是劉騰飛自己選擇的，做這個決定的時候他已經在華南理工大學交通學院上到了大二，執意要轉是興趣使然。2003年，交通學院的大二學生劉騰飛，面對苛刻的轉專業條件，以優異的成績轉入自動化學院自動化專業學習。此后，他的學習、科研道路始終運行在這條線上，一步步升級換代，從國內到澳大利亞、美國，直到學有所成回到國內，他再也沒有更換過自己事業的核心系統。

改革開放后的發展進程中，工業的發展一直在其中唱重頭戲，是影響國計民生的重要指標。也因此，從“中國制造”到“中國創造”成為投身其中的有識之士們奮斗的目標。他認為，代表信息化與工業化深度融合的先進自動化系統，是實現這一宏偉目標的重要保障，這也是他的研究方向。

成績優異的轉專業生

成功地進入他喜歡的專業領域學習，但學習的過程一點也不輕松。因為是轉專業，在新專業學習的最初，他要補修數門專業課程，上課之余要花大量時間自學。“沒有金剛鉆，不攬瓷器活”，他不僅攬了，而且干得漂亮。自動化專業本科畢業后，他以優異成績成為母校推薦免試的研究生，進入控制理論與控制過程專業學習，最終提前半年獲得工學碩士學位。期間，還在自動控制領域的國際著名期刊上發表了論文。

2008年，他有幸進入澳大利亞國立大學工程與計算機學院，攻讀系統與控制方向博士學位。在這里的學習占了天時、地利，但人和全靠自己來實現。他的導師是澳大利亞科學院院士、國際著名控制專家David Hill教授。但在博士研究階段初期，導師只給了他大的研究方向。回憶當時，他說“雖然自由，卻很容易迷失自己”。

上到大三敢轉專業、且轉成功并不是每個人都能做到的，他做到了，證明自己并不是一個輕易會迷失的人。系統與控制方向的研究理論性很強，對數學要求極高，許多控制理論的研究者都有數學專業的學位。這對于工科出身，只學過機械類數學的人可謂難上加難。所以，他在博士階段苦學數學，自學了包括集值映射、微分包含、非光滑系統等應用數學方面的專業書籍。同時他還飽覽了控制專業的重要典籍，從維納的《控制論》到錢學森先生的《工業控制論》，他都仔細研讀。

功夫不負有心人，通過自學和閱讀大量資料，他最終選定多回路非線性系統穩定性作為自己第一個攻關方向。他同國際著名的非線性控制專家Z.P.Jiang合作，建立了多回路非線性小增益理論，巧妙地通過判斷子系統之間的增益關系來判斷復雜系統的穩定性。在這期間，他發表論文10余篇，其中有5篇發表在專業領域的頂級期刊上。他所提出的理論已經應用于復雜工業系統的數字化、網絡化控制，解決了若干控制難題。

2011年，劉騰飛從澳大利亞國立大學博士畢業后，進入紐約大學理工學院（現紐約大學工學院）進行博士后研究，他在這里的研究同樣成績斐然。新的環境他的研究方向也轉入分布式非線性控制理論，他在研究過程中提出了基于多回路非線性小增益理論的分布式控制方法，擺脫了過去對通信拓撲結構的約束，實現了控制算法的實用化。這一研究成果被美國工程院院士 R.Murray、非線性控制的奠基人E.D.Sontag、該領域國際著名專家IEEE Fellow A.Teel、D.Liberzon、D.Nesic等引用。劉騰飛還作為第一作者出版1部英文專著。經過公開競聘，他成為該校電氣與計算機工程學系訪問助教授，該職位的定位是未來在美國頂尖高校取得教職。期間他還收到荷蘭代爾夫特理工大學Tenure-Track Assistant Professor的錄用通知。

成果突出的科研工作者

從2003年到2013年，十多年輾轉于三大洲間學習、工作，他在自己選擇的自動化研究領域收獲頗豐，主要包括三個方面。

1.多回路小增益理論：從單回路關聯系統到多回路動態網絡

穩定性是復雜系統的控制論中的關鍵核心問題之一，是一般工程系統所必須滿足的基本要求。增益理論是包含兩個子系統的單回路關聯系統穩定性判定的重要工具，給出了子系統之間增益關系同系統整體穩定性之間的關系，在控制領域發揮著不可取代的作用，已經取得廣泛國際認可。但這一結果難于處理多回路的情形。最近，他與合作者提出了用于多回路非線性動態網絡穩定性判定和控制器設計問題的回路小增益理論。該成果的創新之處在于，能夠通過判斷網絡中各回路的增益特性來刻畫整個系統的穩定性，從而極大地簡化了復雜非線性動態網絡的穩定性判定。這些結果已經取得了國際權威控制專家的認可。

2.基于回路小增益的控制器設計理論：非線性系統的測量反饋控制和量化控制

他深入研究了非線性控制領域典型的嚴格反饋系統、輸出反饋系統等有代表性的工程系統模型。針對這些重要的有實際背景的系統，從非線性動態網絡的角度入手，提出了基于回路小增益定理的控制器設計理論。其基本思想是將受測量和量化誤差影響的閉環系統轉化成回路小增益定理能夠處理的動態網絡。基于此他提出了4個關鍵創新，完成后研究人員可以較好地解決高階非線性系統的測量反饋控制和量化控制問題。在不假設鎮定控制器顯示存在的前提下，劉騰飛首次將用于線性系統量化反饋控制的扇區約束方法推廣到了高階非線性系統，從而能夠使用工業中常用的對數量化器對典型非線性系統實現量化控制。針對量化器有限字長所導致的問題，他首次提出了基于回路小增益定理的動態量化控制設計。這方面的多個成果發表在業內頂極期刊上，并獲得國際同行的高度評價。2011年，由于劉騰飛在非線性系統的量化控制方面所取得的成果，他以第一作者獲得《關肇直獎》。

3.基于回路小增益理論的分布式非線性控制和多機器人編隊控制

分布式控制在復雜工業過程、交通系統、電力系統、自主車輛等領域有廣泛應用。近年來相關研究成果大部分是針對線性系統模型的。他通過充分考慮分布式控制系統和動態網絡的共性，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計方法。這一研究成果也得到了國際同行的一致高度評價。這些成果不僅有效解決了與工業控制密切相關的控制難題，還為他今后從事更深入的理論研究和解決國家重大需求奠定了堅實的基礎。

2014年，感受到國內科研條件越來越好、學術氛圍越來越濃的劉騰飛主動放棄去荷蘭任教的機會回到國內，期望為提高我國控制理論研究水平和改變我國工業自動化、綠色化的落后面貌貢獻一份力量。東北大學流程工業綜合自動化國家重點實驗室是我國唯一一個面向流程工業綜合自動化和綠色化開展研究的國家重點實驗室，學術氣氛濃厚，研究經費充足，肩負著我國信息化和工業化深度融合的重大使命。東北大學控制學科是全國重點學科，學科評估保持全國前二，是我國控制理論研究的重要基地。2015年，他獲選中組部“青年千人計劃”專家，為實現從“中國制造”到“中國創造”的跨越盡自己的一份力。