用新一代工业自动化系统理论推动实现“中国创造”

肖延胜

学习自动化专业是刘腾飞自己选择的，做这个决定的时候他已经在华南理工大学交通学院上到了大二，执意要转是兴趣使然。2003年，交通学院的大二学生刘腾飞，面对苛刻的转专业条件，以优异的成绩转入自动化学院自动化专业学习。此后，他的学习、科研道路始终运行在这条线上，一步步升级换代，从国内到澳大利亚、美国，直到学有所成回到国内，他再也没有更换过自己事业的核心系统。

改革开放后的发展进程中，工业的发展一直在其中唱重头戏，是影响国计民生的重要指标。也因此，从“中国制造”到“中国创造”成为投身其中的有识之士们奋斗的目标。他认为，代表信息化与工业化深度融合的先进自动化系统，是实现这一宏伟目标的重要保障，这也是他的研究方向。

成绩优异的转专业生

成功地进入他喜欢的专业领域学习，但学习的过程一点也不轻松。因为是转专业，在新专业学习的最初，他要补修数门专业课程，上课之余要花大量时间自学。“没有金刚钻，不揽瓷器活”，他不仅揽了，而且干得漂亮。自动化专业本科毕业后，他以优异成绩成为母校推荐免试的研究生，进入控制理论与控制过程专业学习，最终提前半年获得工学硕士学位。期间，还在自动控制领域的国际著名期刊上发表了论文。

2008年，他有幸进入澳大利亚国立大学工程与计算机学院，攻读系统与控制方向博士学位。在这里的学习占了天时、地利，但人和全靠自己来实现。他的导师是澳大利亚科学院院士、国际著名控制专家David Hill教授。但在博士研究阶段初期，导师只给了他大的研究方向。回忆当时，他说“虽然自由，却很容易迷失自己”。

上到大三敢转专业、且转成功并不是每个人都能做到的，他做到了，证明自己并不是一个轻易会迷失的人。系统与控制方向的研究理论性很强，对数学要求极高，许多控制理论的研究者都有数学专业的学位。这对于工科出身，只学过机械类数学的人可谓难上加难。所以，他在博士阶段苦学数学，自学了包括集值映射、微分包含、非光滑系统等应用数学方面的专业书籍。同时他还饱览了控制专业的重要典籍，从维纳的《控制论》到钱学森先生的《工业控制论》，他都仔细研读。

功夫不负有心人，通过自学和阅读大量资料，他最终选定多回路非线性系统稳定性作为自己第一个攻关方向。他同国际著名的非线性控制专家Z.P.Jiang合作，建立了多回路非线性小增益理论，巧妙地通过判断子系统之间的增益关系来判断复杂系统的稳定性。在这期间，他发表论文10余篇，其中有5篇发表在专业领域的顶级期刊上。他所提出的理论已经应用于复杂工业系统的数字化、网络化控制，解决了若干控制难题。

2011年，刘腾飞从澳大利亚国立大学博士毕业后，进入纽约大学理工学院（现纽约大学工学院）进行博士后研究，他在这里的研究同样成绩斐然。新的环境他的研究方向也转入分布式非线性控制理论，他在研究过程中提出了基于多回路非线性小增益理论的分布式控制方法，摆脱了过去对通信拓扑结构的约束，实现了控制算法的实用化。这一研究成果被美国工程院院士 R.Murray、非线性控制的奠基人E.D.Sontag、该领域国际著名专家IEEE Fellow A.Teel、D.Liberzon、D.Nesic等引用。刘腾飞还作为第一作者出版1部英文专著。经过公开竞聘，他成为该校电气与计算机工程学系访问助教授，该职位的定位是未来在美国顶尖高校取得教职。期间他还收到荷兰代尔夫特理工大学Tenure-Track Assistant Professor的录用通知。

成果突出的科研工作者

从2003年到2013年，十多年辗转于三大洲间学习、工作，他在自己选择的自动化研究领域收获颇丰，主要包括三个方面。

1.多回路小增益理论：从单回路关联系统到多回路动态网络

稳定性是复杂系统的控制论中的关键核心问题之一，是一般工程系统所必须满足的基本要求。增益理论是包含两个子系统的单回路关联系统稳定性判定的重要工具，给出了子系统之间增益关系同系统整体稳定性之间的关系，在控制领域发挥着不可取代的作用，已经取得广泛国际认可。但这一结果难于处理多回路的情形。最近，他与合作者提出了用于多回路非线性动态网络稳定性判定和控制器设计问题的回路小增益理论。该成果的创新之处在于，能够通过判断网络中各回路的增益特性来刻画整个系统的稳定性，从而极大地简化了复杂非线性动态网络的稳定性判定。这些结果已经取得了国际权威控制专家的认可。

2.基于回路小增益的控制器设计理论：非线性系统的测量反馈控制和量化控制

他深入研究了非线性控制领域典型的严格反馈系统、输出反馈系统等有代表性的工程系统模型。针对这些重要的有实际背景的系统，从非线性动态网络的角度入手，提出了基于回路小增益定理的控制器设计理论。其基本思想是将受测量和量化误差影响的闭环系统转化成回路小增益定理能够处理的动态网络。基于此他提出了4个关键创新，完成后研究人员可以较好地解决高阶非线性系统的测量反馈控制和量化控制问题。在不假设镇定控制器显示存在的前提下，刘腾飞首次将用于线性系统量化反馈控制的扇区约束方法推广到了高阶非线性系统，从而能够使用工业中常用的对数量化器对典型非线性系统实现量化控制。针对量化器有限字长所导致的问题，他首次提出了基于回路小增益定理的动态量化控制设计。这方面的多个成果发表在业内顶极期刊上，并获得国际同行的高度评价。2011年，由于刘腾飞在非线性系统的量化控制方面所取得的成果，他以第一作者获得《关肇直奖》。

3.基于回路小增益理论的分布式非线性控制和多机器人编队控制

分布式控制在复杂工业过程、交通系统、电力系统、自主车辆等领域有广泛应用。近年来相关研究成果大部分是针对线性系统模型的。他通过充分考虑分布式控制系统和动态网络的共性，首次提出了基于回路小增益理论的分布式非线性控制器设计方法。这一研究成果也得到了国际同行的一致高度评价。这些成果不仅有效解决了与工业控制密切相关的控制难题，还为他今后从事更深入的理论研究和解决国家重大需求奠定了坚实的基础。

2014年，感受到国内科研条件越来越好、学术氛围越来越浓的刘腾飞主动放弃去荷兰任教的机会回到国内，期望为提高我国控制理论研究水平和改变我国工业自动化、绿色化的落后面貌贡献一份力量。东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室是我国唯一一个面向流程工业综合自动化和绿色化开展研究的国家重点实验室，学术气氛浓厚，研究经费充足，肩负着我国信息化和工业化深度融合的重大使命。东北大学控制学科是全国重点学科，学科评估保持全国前二，是我国控制理论研究的重要基地。2015年，他获选中组部“青年千人计划”专家，为实现从“中国制造”到“中国创造”的跨越尽自己的一份力。