复杂网络系统的控制研究

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控制复杂网络系统的动力学行为是复杂性科学的前沿问题,同时也是研究复杂网络系统的最终目标,在自然界和社会经济等复杂系统中有广泛的应用,例如控制复杂网络上的级联失效,控制疾病和谣言传播,以及控制网络上的同步等。2011年,Liu等人基于结构可控理论,首次提出了控制复杂网络系统的一般方法,引起了很多领域学者的广泛关注,并且已经取得了相当多重要的成果。但是,复杂网络控制方面的研究仍然处于起步阶段,还有很多未解决的理论问题,例如结构可控理论无法适用的无向网络、权重网络和时变网络的可控性问题等。除此之外,还有控制器的设置、最小控制能量、控制节点分类等很多重要的研究问题有待解决。在本文中,我们提出了一种超越结构可控性的研究复杂网络可控性的普适方法。我们证明完全控制复杂网络所需的最少控制器数目由网络矩阵特征值的最大重数决定。该方法适用于任意类型的网络,包括有向、无向、有权、无权和带有自环的网络等。此外,我们也提出了利用矩阵初等变换甄别网络中需要被独立控制的节点的方法。对于结构可控性理论适用的网络,我们的方法得到与结构可控性一致的结果,表明我们的严格可控性理论可以退化为结构可控性。对大量真实网络和模型网络的计算结果表明了严格可控性理论的有效性和实用性。一个有趣的发现是,对于具有相同权重的致密网络,控制它需要的控制器个数往往较多。这与结构可控性预测的结果有定性的区别,说明在这种情况下结构可控不再适用,只能使用严格可控性理论。在严格可控性理论的基础上,我们进一步提出了计算稀疏网络和同权致密网络严格可控能力的快速计算方法。与严格可控理论结果的比较验证了快速方法的准确性和有效性。同时,我们也研究了网络严格可控能力与网络结构的关系。应用严格可控性理论,我们研究了多重网络的可控性问题,包括严格控制多关系网和多层网需要的最少控制器数目等问题。多关系网中节点之间存在不同种类的连接关系(边),而多层网中层内部和层之间的连接关系类型不同。我们给出了多重网络可控性的一般理论,包括多关系网中不同关系对网络严格可控能力的影响,以及多层网中层间连边对可控能力的影响等。通过理论解析和数值仿真,我们发现:在多关系网中存在主导关系网,其结构和连接权重对于整个网络的严格可控性起主导作用;在多层网中,不同层间的连接方式以及疏密程度对整个网络的严格可控能力都有重要的影响,并且发现在层间加入少量连接能够大大提高整个网络的可控能力,这对于改善系统的可控性有一定的启发意义。对于控制复杂网络系统,除了确定最少控制器数量和独立驱动节点集合外,一个很重要的问题是如何确定输入矩阵和设计控制信号,从而实现完全控制系统的状态。对于具有简单结构的网络,我们可以从理论上给出输入矩阵的构造方法,例如对于一条无向链,仅控制其头或尾节点就可以实现控制整条链。对于一般复杂网络,我们通过对原始网络矩阵进行相似变换,提出一种普适的输入矩阵构造方法,并且证明针对变换后的网络矩阵构造的输入矩阵可以保证原始网络系统的可控性。虽然目前提出的构造方法无法保证输入矩阵中元素最少,但是可以保证所需要的控制器数量最少以及独立控制节点数量最少。进一步,我们通过分析控制输入矩阵特征,将网络中节点分为三类:独立控制节点,非独立控制节点和冗余节点,并计算和分析了不同理论网络模型中三类节点的比例。我们提出的严格可控性理论可以用来解决实际控制中所遇到的大部分问题,如控制能量的计算,节点重要性的衡量和控制核心的识别等。我们理论推导出了受控网络控制能量的精确解析表达式,不仅可以用来计算控制能量的上下界,而且可以用于精确计算受控系统的控制能量,这对于实现控制实际系统有重要意义。我们提出了通过删除叶子节点寻找稀疏无向网核心控制模块的方法,并给出了控制核心中节点数量和连边数量与网络平均度和度分布的理论关系。同时,我们还研究了线性耦合网络的严格可观测性问题。我们提出的严格可控性理论和研究方法具有一般性和广泛的适用性,研究结果不仅对于控制各种复杂网络系统有重要的借鉴价值,而且使我们能更深入地理解网络结构与可控性之间的内在关系,节点的拓扑位置与其重要性之间的关系以及提出优化系统可控性的方法。本人博士期间的研究工作将为复杂网络系统的控制理论研究提供新的思路,为实现控制真实复杂网络系统提供重要的理论依据。
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