项目名称: 自抗扰控制理论研究

提名者：山西大学

提名意见：该项目严格证明了非线性微分器、扩张状态观测器以及基于二者的输出反馈的收敛性，解决了自抗扰控制长达二十年的公开问题，奠定了有限维自抗扰控制技术的理论基础；开创了无穷维系统的自抗扰控制方法，建立了完整的无穷维自抗扰控制理论；将无穷维和有限维自抗扰控制统一在估计/消除策略的设计理念之下，实现了控制范式从“模型论”到“控制论”的转化；将理论成果应用于金融、环境等不同行业的数据处理和汽车悬挂控制设计，不但实现了不同学科之间的交叉和优势互补，而且为工业应用提供了理论支撑。

该项目受到多项国家和省级项目的资助，在控制领域顶级期刊IEEE TAC, SICON, Automatica等上发表SCI论文30篇，出版专著2部，授权专利1项。项目成员曾在国际重要会议上做大会报告3次。5 篇代表作SCI他引950次，研究成果被30多个国家和地区的同行广泛引用，获得“Important breakthroughs (重要突破)”，“Important work （重要的工作）”，“Sharp improvement （巨大地进步）”，“Significant progresses（重大的进展）”，“Firstly studied（首次研究）”等评价。他引该项目的作者包括中外科学院院士、杰青、长江、IEEE IFAC SIAM Fellow 等著名学者和无人机、电力等二十多个工程控制领域的技术人员。

    对照山西省自然科学奖授奖条件，我校决定提名该项目为2024年度山西省自然科学奖一等奖。

项目简介：

本项目研究自抗扰控制的基本理论，属于控制理论和数学的交叉领域。因能处理大规模不确定干扰，自抗扰控制在军工、航天、电力等领域取得了广泛而有效的应用，但其收敛性这一基本科学问题却长期悬而未决。本项目在一般条件下严格证明了自抗扰控制的收敛性，开创了无穷维自抗扰控制方法，构建了完备的基础理论框架，引发国内外大量后续研究，产生了学科交叉和实际应用。主要内容如下：

    1.在一般条件下证明了非线性跟踪微分器、扩张状态观测器以及基于二者的输出反馈的收敛性，解决了困扰自抗扰控制二十多年的收敛性难题，为实际应用提供了解释性和理论依据。

    2. 提出无穷维自抗扰控制新概念，给出全新的处理无穷维系统输入干扰的自抗扰控制设计方案，并严格证明了由系统无穷维特性引起的适定性、收敛性等极具挑战的理论难题，使得有限维自抗扰控制长期面临的高增益问题和干扰导数有界问题在无穷维领域内得以解决。

    3. 提出处理测量干扰的自抗扰补偿方法，突破了干扰估计依赖系统模型的瓶颈，开辟了自抗扰控制在输出干扰处理中的新应用。给出的干扰估计器可以处理分布式信号，实现了干扰估计从有限维到无穷维质的飞跃。

    4. 将无穷维和有限维自抗扰控制统一在估计/消除策略的理念中，实现了控制范式从“模型论”到“控制论”的转化，并在金融、环境数据预测以及山西汽运集团“智行山西”项目中得以应用。

   本项目在控制顶级期刊IEEE TAC, SICON, Automatica 以及Annual Reviews in Control 等上发表论文 30 篇，出版专著 2 部，入选 ESI 高被引论文 1 篇，5 篇代表作 SCI 他引总计 950 次。他引作者包括中外科学院院士、杰青/长江、IEEE SIAM Fellow 等著名学者和二十多个工程控制领域的技术人员，获得“Important breakthroughs” “Sharp improvement” “Significant progresses”等评价。相关成果曾被著名控制学者 M. Krstic 等在其学术专著中评为 “pioneering work”，曾应邀在第二届国际偏微分系统控制会议上做一小时大会报。

客观评价：本项目主要发表SCI论文30篇，其中包括控制理论顶级期刊IEEE TAC, SICON, Automatica论文16篇，著名控制综述期刊Annual Reviews in Control上特邀自抗扰论文1篇，跨学科应用论文2篇，ESI高被引论文1篇，出版专著2部，授权专利1项。5 篇代表作被SCI他引总计950次，获得“Important breakthroughs (重要突破)”，“Important work （重要的工作）”，“Sharp improvement （巨大地进步）”，“Significant progresses（重大的进展）”，“Firstly studied（首次研究）”等评价。他引作者遍布全球五大洲、30多个国家和地区，其中包括中外科学院院士、IEEE IFAC前主席，国家杰青、长江学者、IEEE IFAC SIAM Fellow、控制权威期刊高级编辑、主编等国内外知名学者和无人机、电力以及智能机器人等二十多个工业领域的工程技术人员。项目成果曾在2016年第二届国际偏微分系统控制大会、IEEE第15届，16届自抗扰控制研讨会上做大会报告。国际著名控制专家Miroslav Krstic 教授等在其学术专著《PDE Control of String-Actuated Motion》公开评论本项目第一完成人冯红银萍和第二完成人郭宝珠做了 “pioneering work （开创性工作）”。

1. IEEE Life Fellow 加州大学 M.Tomizuka 等在机器人领域顶刊[IEEE/ASME Trans. Mechatronics, 25(2020), 2610-2621]评价代表作[1]：“… were proposed … using only …” ; 西安交通大学梅占东教授在控制顶刊[Automatica, 116(2020), 108925]指出我们首先研究了无穷维系统自抗扰控制“…firstly studied ...”。

2. 前IFAC 主席, IEEE Fellow, 著名控制专家Alberto Isidori 等在[Systems Control Lett. 83 (2015) 1-8]中评价代表作[2]“... thorough analysis...”；中科院院士郭雷等在[Automatica 59 (2015) 35-47]中评价“… progress has also been made…”；正面他引[2]的还有：中科院院士郭雷(北航)、国家杰青夏元清；IEEE Fellow 以色列著名控制专家 E. Fridman； IEEE Life Fellow 美国贝勒大学 Kwang Y. Lee 教授; IEEE Fellow，欧洲科学院院士Jun Wang、Qing-Long Han; IEEE Fellow 谢立华、Changyun Wen； 国家杰青、IEEE Fellow孙长银、李世华；南非科学院院士Qing-Guo Wang；IEEE Fellow 英国拉夫堡大学陈文华、墨尔本大学Iven Mareels等。

 3. IEEE IFAC SIAM Fellow, IEEE CSS 主席，国际著名控制专家M. Krstic等在控制顶刊在 [Automatica 95 (2018) 122-136] 正面引用了包括代表作 [3] 在内的多篇论文; 在 [Automatica 79 (2017) 185-197] 中 评 价 我 们 干 扰 估 计的工作 “……important estimation ……”。正面他引[3]的还有IEEE Fellow Shun-Feng Su 等。

 4. IFAC 大 会 最 佳互动论文奖得主，德国 Kiel 大学 A.Schaum 教授在 [Automatisierungstechnik 66(2018),548-557] 评价[4]“…important breakthroughs…”;长江学者、国家杰青吴淮宁在控制论顶刊[Automatica 121(2020) 109173]中评论代表作[4]“…developed…”。

5 国家杰青、IEEE Fellow，中国人工智能学会会士孙长银教授和国家杰青、国家“万人计划”科技创新领军人才贺威等在文献[Int J Robust Nonlinear Control. 2018;1–19]评价代表作[5]具有很多优点：“the work of Guo and Jin has many advantages for flexible systems vibration suppression”.

代表性论文专著目录：

[1] H. Feng and B.Z. Guo*, Active disturbance rejection control: Old and new results, Annual Reviews in Control, 44 (2017) , 238-248.

[2] B.Z. Guo* and Z.L. Zhao, On the convergence of extended state observer for nonlinear systems with uncertainty, Systems & Control Letters, 60(2011), 420-430.

[3] H. Feng* and B.Z. Guo, A new active disturbance rejection control to output feedback stabilization for a one-dimensional anti-stable wave equation with disturbance, IEEE Transactions on Automatic Control, 62(2017), 3774-3787.

[4] H. Feng* and B.Z. Guo, New unknown input observer and output feedback stabilization for uncertain heat equation, Automatica, 86 (2017),1-10. 

[5] B.Z. Guo* and F.F. Jin, The active disturbance rejection and sliding mode control approach  to the stabilization of  Euler-Bernoulli beam equation with  boundary input disturbance, Automatica, 49(2013), 2911-2918. 

主要完成人情况:

第一完成人，冯红银萍

（1）建立针对无穷维系统输入干扰的扩张状态观测器设计方法，并证明其适定性和收敛性；（2）建立无穷维系统输出干扰的干扰估计器设计方法，并证明其收敛性；（3）建立无穷维系统自抗扰控制的输出反馈法则，进一步确立干扰的估计/消除策略，是代表性论文[1]，[3]和[4]的第一作者。

第二完成人，郭宝珠

（1） 完成了有限维自抗扰控制的收敛性证明；（2）解决了带有输入干

扰的高维波动方程的输出反馈镇定问题，是代表性论文[2]和[5]的第一作者，代表性论文[1]，[3]和[4]的第二作者。

第三完成人，赵志良

在有限维扩张状态观测器的设计以及收敛性的证明方面做出重要贡献，是代表作[2]的第二作者。

完成人合作关系说明:

本项目有3名主要完成人，第一完成人冯红银萍是山西大学自动化与软件学院教授；第二完成人郭宝珠是中国科学院数学与系统科学研究院研究员。郭宝珠研究员于2010年－2012年入选山西省“百人计划”，与冯红银萍展开密切合作。十多年来，二人共同致力于自抗扰控制理论研究，本项目代表作[1]，[3]和[4]均由二人合作完成。二人的合作研究一直持续至今，目前已经合作发表论文十余篇，并且正在合作承担国家自然科学基金重点项目一项。第三完成人赵志良目前是中北大学电气与控制工程学院教授，曾和第二完成人郭宝珠长期合作，发表论文十余篇，合作出版专著一部。

知情同意证明：