와심 마이클 하다드

1. 개요

와심 마이클 하다드는 그리스 아테네에서 태어나 플로리다 공과대학교에서 기계 공학 학사, 석사, 박사 학위를 취득했다. 그는 해리스 코퍼레이션에서 컨설턴트로 일했으며, 플로리다 공과대학교와 조지아 공과대학교에서 교수로 재직했다. 1993년에는 미국 국립과학재단 대통령 교수 펠로우 상을 수상했다. 하다드는 비선형 강건 및 적응 제어, 동역학 시스템 이론 등 다양한 분야에 기여했으며, 7권의 저서를 출판했다.

2. 전기

와심 마이클 하다드는 그리스 아테네에서 태어나 미국에서 교육받은 공학자이다. 그는 플로리다 공과대학교에서 기계 공학 학사, 석사, 박사 학위를 취득했으며, 주요 연구 분야는 동역학계와 제어 이론이다. 이후 플로리다 공과대학교와 조지아 공과대학교에서 교수로 재직하며 학문적 경력을 쌓았다. 1993년에는 미국 국립 과학 재단(NSF)으로부터 대통령 교수 펠로우 상(Presidential Faculty Fellow Award)을 수상하며 연구 및 교육 분야에서의 탁월한 업적을 인정받았다.

2.1. 어린 시절과 교육

하다드는 그리스 아테네에서 그리스인 어머니와 레바논인 아버지 사이에서 태어났다. 그는 초등 교육을 사립 영국 중등학교에서 받았고, 고등학교는 아테네의 아메리칸 커뮤니티 스쿨과 베이루트의 아메리칸 커뮤니티 스쿨에서 다녔다. 고등학교 시절 그리스어, 프랑스어, 철학, 기초 과학 및 수학을 공부했다.

1979년, 미국 플로리다주 멜버른에 위치한 플로리다 공과대학교의 기계 및 항공우주 공학과에 입학했다. 이후 플로리다 공과대학교에서 기계 공학을 전공하여 1983년에 학사 학위를, 1984년에 석사 학위를, 그리고 1987년에 박사 학위를 취득했다. 그의 주요 연구 분야는 동역학계와 제어 이론이었다. 박사 과정 연구는 대형 유연 우주 구조에 적용할 수 있는 고정 아키텍처 기반의 강건 제어 설계에 중점을 두었으며, 데니스 S. 번스타인 교수가 지도교수를 맡았다.

2.2. 학술 경력

1987년부터 1994년까지 하다드는 플로리다 멜버른에 위치한 해리스 코퍼레이션 정부 항공우주 시스템 부서의 구조 제어 그룹 컨설턴트로 활동했다. 1988년에는 플로리다 공과대학교 기계 및 항공우주 공학과 교수로 임용되어 대학원 과정 내 시스템 및 제어 옵션을 창설하고 발전시켰으며, 플로리다 공과대학교의 우주 연구소 내 제어 시스템 활동을 강화하는 데 기여했다. 1994년부터 그는 조지아 공과대학교의 항공우주 공학과 교수로 재직하고 있다.

2.3. 대통령 교수진 펠로우

하다드 교수는 1993년 미국 국립 과학 재단 (NSF)으로부터 대통령 교수 펠로우 상(Presidential Faculty Fellow Award)을 받았다. 이는 "과학 및 공학 연구와 미래 세대의 학생들이 인간 지식을 확장하고 적용하도록 가르치는 데 있어 탁월한 성과와 지속적인 공로"를 인정받은 결과이다. 이 상은 "미국에서 가장 뛰어난 과학 및 공학 교수진"의 학술 활동을 지원하기 위한 것으로, 당시 빌 클린턴 대통령이 백악관 로즈 가든에서 직접 수여했다.

3. 연구

하다드 박사는 과학, 수학, 의학, 공학 등 다양한 분야에 걸쳐 550편 이상의 학술 저널 및 컨퍼런스 발표와 7권의 저서를 통해 학문적 기여를 했다. 그의 주요 연구 분야는 비선형 강건 및 적응 제어, 신경적응제어, 비선형 동역학 시스템 이론, 대규모 시스템, 계층적 비선형 스위칭 제어, 비선형 충격 및 하이브리드 시스템의 분석 및 제어, 시스템 열역학, 네트워크 시스템, 전문가 시스템, 생물학적 및 생리학적 시스템의 비선형 분석 및 제어, 임상 약리학을 위한 능동 제어, 수학적 신경과학 등을 포괄한다. 이러한 연구 활동을 통해 그는 항공우주, 전기 및 생의학 공학 분야에서 저명한 학자, 교육자, 기술 개발자로 인정받고 있다. 부차적으로는 자연철학과 과학 및 수학의 역사에도 관심을 가지고 있다.

3.1. 고정 구조 제어 설계

1980년대 중반, 하다드는 데니스 번스타인(D. S. Bernstein) 및 DC 하일랜드(D. C. Hyland)와 함께 "최적 투영 고정 구조 제어"에 관한 일련의 논문을 발표했다. 이 연구들은 다변수 시스템을 위한 최적의 강건성을 가진 축소 차수 보상기 및 추정기 설계에 기여했다.

하다드가 제시한 고정 구조 제어 프레임워크는 다변수 시스템 설계 과정에서 센서 잡음, 제어 비용(제어 노력), 제어기 차수, 강건성, 외란 제거, 평균 제곱 오차, 샘플 속도, 제어기 아키텍처와 같은 여러 경쟁적인 제약 조건들을 동시에 고려하여 최적의 절충안을 찾을 수 있는 방법을 제공한다. 이 접근 방식은 다변수 제어 이론 내에서 기존의 고전적인 설계 목표들을 포괄하면서, 소위 "산업 표준"이라 할 수 있는 제어기 설계를 위한 이론적 토대를 마련한 것으로 평가받는다. 또한, 이 연구는 1990년대에 많은 연구자들이 선형 행렬 부등식(LMI)을 이용한 고정 차수 제어 연구를 발전시키는 데 중요한 기초를 제공했다.

3.2. 혼합 표준 다목적 제어 설계

하다드의 혼합 표준 다중 목표 제어기 합성 문제, 특히 혼합 H₂/H_∞ 제어 문제에 대한 연구는 중요한 기여를 했다. 이 연구는 과도한 보수성을 피하면서 협대역 및 광대역 외란(disturbance)을 동시에 제거하기 위한 전체 차수(full-order) 및 축소 차수(reduced-order) 제어기 설계 방법을 정확하고 엄격하게 다룬 최초의 작업으로 평가받는다. 하다드의 혼합 표준 제어 문제에 대한 선구적인 연구 결과들은 관련 연구 분야를 활성화시키는 계기가 되었으며, 전 세계 여러 연구 그룹에서 그의 기초 연구에 기반한 수많은 논문이 발표되었다.

3.3. 구조적 불확실성이 있는 시스템을 위한 강건 제어

이 연구는 매개변수 종속 랴푸노프 함수를 사용하여, 상수 실 매개변수 불확실성을 가진 시스템의 강인 안정성 및 성능 문제에 대한 기존에 공개된 문제들을 만족스럽게 해결한 최초의 연구 중 하나였다. 이 작업은 랴푸노프 함수와 리카티 방정식의 관점에서 혼합-μ 분석 및 합성에 대한 근본적인 일반화를 이루었다. 혼합-μ와 매개변수 종속 랴푸노프 함수 사이의 이러한 통합은 신뢰할 수 있고 완전히 자동화된 μ-합성 절차의 기반을 제공했다. 이를 통해 혼합-μ 제어기 합성을 위한 새로운 메커니즘이 만들어졌으며, 처음으로 H₂ 성능을 포착하면서 차선의 승수-제어기 반복 및 곡선 맞춤 절차를 피할 수 있게 되었다. 이 연구는 엔지니어링 실무를 직접적으로 지원하는 이론적 돌파구를 이루었다.

3.4. 회전 실속 및 서지를 위한 추진 제어

하다드는 항공 우주 차량과 관련된 유동 제어에 적용하기 위한 고급 비선형 강인 외란 제거 제어 방법론 개발에 집중했다. 특히, 구조화된 비선형 매개변수 불확실성과 불확실한 외생 외란이 있는 비선형 시스템을 위한 강인한 전역 안정화 외란 제거 제어기를 합성하기 위해 최적성을 기반으로 한 비선형 제어 프레임워크를 개발했다.

그의 연구 결과는 가스 터빈 엔진의 열음향 불안정성 영향을 억제하기 위한 연소 시스템과, 제트 엔진의 회전 실속 및 서지와 같은 공기역학적 불안정성을 제어하기 위한 추진 시스템에 적용되었다. 이 연구는 미국 국립과학재단, AFOSR, ARO, NASA의 지원을 받아 진행되었으며, 미국 국방부의 주요 프로젝트에서 압축 시스템의 성능, 강인성, 신뢰성 및 유지보수성을 구체적으로 개선하는 성과를 보였다.

하다드의 저서 Hierarchical Nonlinear Switching Control Design with Application to Propulsion Systems^영어 (Springer-Verlag, 2000)는 일반적인 비선형 불확실성 시스템을 위한 새롭고 독특한 계층적 비선형 스위칭 제어 프레임워크를 제시한다. 이는 여러 작동 모드를 가진 시스템의 이득 스케줄링 제어에 대한 엄격한 대안을 제공한다.

3.5. 열역학

하다드의 저서 Thermodynamics: A Dynamical Systems Approach (프린스턴, 뉴저지: 프린스턴 대학교 출판, 2005)는 열역학에 대한 새롭고 독특한 시스템 이론적 틀을 개발했다. 열역학은 물리학 및 공학의 근본적인 분야 중 하나이지만, 미국의 수학자이자 자연 철학자인 클리포드 트루스델이 지적했듯이 그 기초는 엄격함과 명확성이 부족했다. 수년 동안 시스템 및 제어 분야의 연구자들은 열역학의 견고한 기반을 개발할 필요성을 인식해 왔다. 하다드의 책은 열역학을 위한 강력한 틀을 구축하기 위해 광범위한 아이디어와 도구를 제시한다. 그는 소산 이론, 비표준 리야푸노프 아이디어, 그리고 양계 시스템 이론을 그의 연구에 사용한다. 그의 틀은 열역학의 기본 법칙을 포함한 모든 핵심 아이디어를 포착하며, 고전 열역학을 고전 역학과 조화시킨다. 이 저서는 동역학적 시스템 및 제어 분야의 특징인 응용 분석을 활용하고 확장하는 "기술적 걸작"으로 평가받는다. 특히, 하다드의 설명은 과학 및 공학의 매우 중요한 고전적 영역에 일관성과 명확성을 부여한다.

3.6. 충동 및 하이브리드 동적 시스템

하다드의 충동 및 하이브리드 동적 시스템 및 제어에 대한 주요 연구는 다음과 같다. 그의 저서인 충동 및 하이브리드 동적 시스템: 안정성, 소산성 및 제어(Impulsive and Hybrid Dynamical Systems: Stability, Dissipativity, and Control), 프린스턴, 뉴저지: 프린스턴 대학교 출판부, 2006년은 충동 및 하이브리드 동적 시스템에 대한 매우 상세하고 일반적인 분석 및 종합 프레임워크를 제공한다. 특히, 이 연구 모노그래프는 비선형 충동 및 하이브리드 동적 시스템에 대한 안정성, 소산성 이론, 에너지 기반 하이브리드 제어, 최적 제어, 외란 제거 제어 및 강인 제어에 대한 기본적인 결과를 개발한다. 이 모노그래프는 시스템 이론적 관점에서 작성되었으며 수학적 시스템 이론 및 제어 시스템 이론에 근본적인 기여를 한다. "현재 출판된 책 중 이 책만큼 깊이와 폭이 있는 책은 없다."

3.7. 비선형 동적 시스템 및 제어

하다드의 저서 비선형 동적 시스템과 제어: 랴푸노프 기반 접근법 (프린스턴, 뉴저지: 프린스턴 대학교 출판부, 2008)은 비선형 동적 시스템 이론 분야에서 그의 연구를 잘 보여준다. 1000페이지에 달하는 이 책은 "백과사전적 걸작"으로 평가받으며, 랴푸노프 기반 방법을 중심으로 비선형 동적 시스템의 안정성 분석과 제어 설계를 폭넓게 다루고 발전시킨다.

주요 내용은 랴푸노프 안정성 이론, 부분적 안정성, 라그랑주 안정성, 유계성, 궁극적 유계성, 입력-상태 안정성, 입력-출력 안정성, 유한 시간 안정성, 반안정성, 집합의 안정성, 주기 궤도의 안정성, 벡터 랴푸노프 함수를 이용한 안정성 정리 등을 포함한다.

또한, 비선형 연속 시간 및 이산 시간 동적 시스템에 대한 소산성 이론, 절대 안정성 이론, 피드백 상호 연결의 안정성, 최적 제어, 백스테핑 제어, 외란 제거 제어, 그리고 고정 및 파라미터 의존 랴푸노프 함수를 이용한 강인 제어에 대해 상세하고 체계적으로 설명한다.

3.8. 음이 아닌 구획 동적 시스템

하다드의 저서 'Nonnegative and Compartmental Dynamical Systems' (프린스턴 대학교 출판부, 2010년)는 비음수 및 구획 동적 시스템의 모델링 및 피드백 제어를 위한 통합적인 분석 및 설계 프레임워크를 제시한다. 이 연구는 엄격한 이론적 기반을 갖추면서도 실용적인 적용 가능성을 강조하며, 관련된 개념들을 생물학, 화학, 생태학, 경제학, 유전학, 의학, 사회학, 그리고 공학 분야의 다양한 예시를 통해 설명한다.

이 책은 비음수 및 구획 동적 시스템에 대한 통일된 안정성 및 소산성 분석, 그리고 제어 설계 프레임워크를 개발하여 해당 시스템에 대한 이해를 증진하고 능동적 제어 기술 발전에 기여했다. 이는 현대 사회의 여러 중요 분야에 영향을 미쳤는데, 특히 밀접한 상호작용이 중요해지는 의학, 경제학, 사회학 분야와 질병 확산의 이해가 필수적인 역학 및 유전학 분야에서 그 중요성이 부각된다. 또한, 실시간 제어 시스템 기술은 로봇 수술, 전기생리학적 시스템(심박 조정기 및 자동 이식형 제세동기), 생명 유지 장치(인공호흡기, 인공 심장), 영상 유도 치료 및 수술 등을 통해 현대 의학 발전에 기여하고 있다.

3.9. 대규모 시스템의 안정성 및 제어

하다드는 대규모 비선형 동적 시스템에 대한 벡터 소산 시스템 접근 방식 연구를 통해 성과를 거두었다. 이 연구는 다음과 같은 다양한 분야에 광범위하게 적용된다.
* 대규모 항공우주 시스템
* 항공 교통 관제 시스템
* 전력 및 에너지 그리드 시스템
* 제조 및 공정 시스템
* 운송 시스템
* 통신 및 정보 네트워크
* 통합 생물학적 시스템
* 생물학적 신경망
* 생체 분자 및 생화학 시스템
* 신경계
* 면역 시스템
* 환경 및 생태 시스템
* 분자, 양자, 및 나노 규모 시스템
* 입자 및 화학 반응 시스템
* 경제 및 금융 시스템

이 분야에 대한 그의 저서로는 대규모 동적 시스템의 안정성 및 제어: 벡터 소산 시스템 접근 방식(Stability and Control of Large-Scale Dynamical Systems: A Vector Dissipative Systems Approach^영어)이 있으며, 2011년 프린스턴 대학교 출판부에서 출간되었다. 이 책은 상호 연결되고 상호 의존적인 복잡한 항공우주 동적 시스템을 다룬다.

3.10. 다중 에이전트 네트워크 시스템 제어

하다드는 시스템 생물학과 열역학을 통신공학과 결합하여, 자율적인 다중 에이전트 항공우주 시스템의 조정 및 제어를 위한 효과적이고 안정적인 알고리즘을 개발했다. 특히 자연에서 나타나는 자율적인 떼 지능 시스템에서 영감을 얻어, 다중 에이전트 네트워크 시스템 내 에이전트 간의 상호작용, 협력 및 비협력 제어, 작업 할당, 자원 할당 문제를 다루는 제어 알고리즘을 개발했다.

이 연구는 무인 항공기, 자율 수중 차량, 분산 센서 네트워크, 항공 및 지상 운송 시스템, 공중 및 우주 차량 편대 운영, 통신 네트워크의 혼잡 제어 등 다양한 분야의 협력 제어 기술 발전에 큰 영향을 미쳤다. 그의 연구 결과는 열역학과 정보 이론 사이의 근본적인 연관성을 독창적인 방식으로 활용하여 네트워크 제어 분야에서 중요한 기술적 진보를 이끌었다.

3.11. 임상 약리학을 위한 적응 및 신경 적응 제어

하다드의 연구는 임상 약리학 분야의 중요한 문제 중 하나를 다루었다. 그는 자동 마취와 중환자실 의료를 위한 적응 제어 및 신경망 기반 적응 제어 알고리즘을 개발했다. 이 적응 제어 알고리즘은 환자마다 다른 약동학 및 약력학적 변동성에 효과적으로 대응하여 약물 투여의 결과를 크게 개선했다. 임상 약리학에서의 능동적 제어에 관한 이 연구는 실제 임상 현장에 적용되어 의료 서비스 및 약물 투여 장비의 신뢰성을 향상시키는 데 기여하고 있으며, 의료 비용 절감에도 긍정적인 영향을 미칠 잠재력을 가지고 있다. 이 분야에서 하다드의 연구 성과는 생체 공학 분야에 상당한 영향을 미쳤다.

4. 저서

* A. 레오네사, 와심 M. 하다드, V. 첼라보이나, 추진 시스템에 적용된 계층적 비선형 스위칭 제어 설계. 런던, 영국: 스프링거-Verlag, 2000.
* 와심 M. 하다드, V. 첼라보이나, S. G. 네르세소프, 열역학: 동적 시스템 접근법. 프린스턴, 뉴저지: 프린스턴 대학교 출판부, 2005.
* 와심 M. 하다드, V. 첼라보이나, S. G. 네르세소프, 충격 및 하이브리드 동적 시스템: 안정성, 소산성 및 제어. 프린스턴, 뉴저지: 프린스턴 대학교 출판부, 2006.
* 와심 M. 하다드, V. 첼라보이나, 비선형 동적 시스템 및 제어: Lyapunov 기반 접근법. 프린스턴, 뉴저지: 프린스턴 대학교 출판부, 2008. 정오표
* 와심 M. 하다드, V. 첼라보이나, Q. 후이, 비음수 및 구획 동적 시스템. 프린스턴, 뉴저지: 프린스턴 대학교 출판부, 2010.
* 와심 M. 하다드, S. G. 네르세소프, 대규모 동적 시스템의 안정성 및 제어: 벡터 소산 시스템 접근법. 프린스턴, 뉴저지: 프린스턴 대학교 출판부, 2011.