随着计算机技术、通信技术和控制技术的飞速发展,在经济、社会乃至日常生活领域,出现了许多复杂动态互连系统,如互联网、万维网、电力网络和天然气管网。这些复杂系统都可用复杂网络的形式来建模和分析。对复杂网络的分析、建模与控制已经成为了计算机、控制、通信和工程领域的一个极具挑战性的多学科交叉课题。从概念上讲,系统能控性是衡量一个动态系统在实际操作中能否被有效控制的一个重要的系统特性。对复杂网络能控性的研究是网络控制领域内的一个关键课题,并已在网络能控性指标的计算与优化,网络结构对网络能控性的影响,在网络能控性约束下的相关网络指标的优化等方面取得了研究进展。然而,由于复杂网络的维数巨大,以及其上的动力学特性十分复杂,对复杂网络能控性的研究尚处于起步阶段,还存在若干问题有待解决。比如,加权网络在能控性约束下的结构优化、受损网络能控性的恢复、多个网络集成的能控性优化等。本论文在总结前人工作的基础上,综合运用了图论、控制理论和运筹学理论,研究了基于能控性的有向复杂网络的分析、设计与优化。主要的创新成果集中于：(1),定位出了有向加权网络在完全能控性约束下的最少控制节点；(2),优化了固定数目控制节点作用下的有向网络能控性指标值；(3),提出了加点和加边的优化策略以恢复受损网络的能控性；(4),提出了一个节点指标来度量单个节点在维护网络能控性中的重要性程度。最后,以电力网络为例,研究了它在能控性约束下的发电机组组合优化问题。论文创新点具体总结如下：1.提出了一般性网络优化控制问题框架；研究了在网络完全能控性约束下,由状态节点和控制节点共同构成的有向加权网络的最少控制节点数；开发了基于极值动力学的解决方案。仿真实验表明,该方法能快速定位所需的最少控制节点,并揭示了它与网络拓扑结构间的关系。2.引入了有向网络能控性指标值的概念以衡量受控的网络子空间的最大维数；给出了有向网络在固定数目的控制节点作用下的最优控制配置设计方法,使得网络能控性指标值达到最大；证明了该设计方法的最优性。在多种不同类型的真实网络和模型网络上的仿真实验表明,该优化设计方法较之其他几种常见的设计方法的优越性,并揭示了网络的拓扑结构特征与能控性指标值问的关系。3.引入了有向网络可控度的概念以衡量受损网络的能控级别；提出了最优加点策略及最优加边策略以恢复受损网络的结构能控性；证明了这两个恢复策略的最优性。在多种不同类型的真实网络和模型网络上的仿真实验表明,最优加点策略和最优加边策略的能控性恢复速度要明显好于随机加点策略及随机加边策略,并揭示了网络的拓扑结构特征与能控性恢复代价间的关系。4.引入了有向网络最小控制模式的概念；在此基础上,提出了一个新的节点指标来衡量单个节点在维护网络的结构可控性中的重要性程度；设计了一个随机采样算法计算该指标值。在多种不同类型的真实网络和模型网络上的仿真实验表明,该节点指标值的分布由网络的节点度分布决定,且该指标值受节点的局部拓扑结构特征影响。5.研究了电力网络在能控性约束下的发电机组组合优化问题；开发了基于极值动力学的解决方案。在IEEE的多个测试例子上的仿真实验表明,该优化方法较之其他几种常用方法(比如,遗传算法、模拟退火算法和粒子群优化算法)有较好的优化性能,且能够找到较低发电运行成本的机组组合方案。本文最后对全文工作进行了总结,并对今后研究工作进行了展望。