国际会计师联合会控制系统教育发展及其应用领域的探索

第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年从IIT（1965）到ISU（2012）的控制系统教育之旅*D.苏巴拉姆·奈杜美国爱达荷州立大学测量与控制工程研究中心，邮编：83209-8060（电子邮件：naiduds@isu.edu）。摘要：介绍了从1965年印度理工学院（IIT）到2012年爱达荷州立大学（ISU）的计算机系统工程（CSE）的一个新的研究过程。 IIT 电 气 工 程 系 CSE 的 技 术 或 科 学 硕 士（MTech/MS）课程始于1958年，也许是世界上CSE最古老的研究生课程之一。在过去的近50年里，作者有幸在世界各地的各种机构工作，在控制系统的理论和应用领域，以广泛的科学和工程领域，如航空航天，电气和生物医学工程，焊接，生态学和生物科学。关键词：控制系统，奇异摄动，时标，航空航天系统，生物医学系统1. 印度控制系统工程的教育与研究（1959-1985）第一个研究生（技术或科学硕士）计划，克在控制系统工程成立于1959年在印度理工学院（IIT）在Kharagpur，第一个这样的计划在印度。作者于1965年加入该CSE计划，并于1967年完成CSE的MTech是一个为期两年的计划，在第一年的夏天有理论，实验室课程工作涵盖的课程，如应用数学（管道（1958年））控制系统工程I和II（板栗和迈耶（1951年，1955年））的传递函数，奈奎斯特稳定性，根轨迹，补偿器，Truxal（1955年）的分析和设计，泰勒和布朗（1960年）;许和迈耶（1968年）描述功能，吉布森（1963年）的非线性控制）和控制系统组件（吉布森和Tuteur（1958年）的主题同步器，伺服电机，步进电机，磁放大器，液压和气动系统等）。我有一个有趣的论文问题，通过使用正弦余弦电位计观察或跟踪发射子弹的轨迹来定位射击点在20世纪70年代，IIT的CSE计划将复杂性转变为与诸如状态变量（DeRusso等人（1965）和现在的DeRusso等人（1998），Gupta（1966）），最优控制系统（Athans和Falb（1966），Schultz和Melsa（1967），K irk（1970））等的复杂性相适应的“现代化”。在20 世纪70年代，一个很大 的 亮 点 是 关 于 李 雅 普 诺 夫 和 波 波 夫 稳 定 性（ 2012 年 IFAC-IAC 研 讨 会 的 主 题 ） 的 （ 书面 ） 笔 记 （ Naidu （ 1968-70 ） ） 的 出 版 物 ，作者仍然在ISU教授非线性控制系统课程。感谢爱达荷州立大学的支持1.1控制系统中的奇异摄动和时标（SPaTS）根据基金会的要求，（Vasileva（ 1 9 6 3 ） ） 的一 个 基 本 概 念 是 “ 含 有 一 个 小 参 数 乘 以 最大 值 的 非 线 性 微 分 方 程 ” ， 最 优 控 制 中 的扰 动 问 题 是 在 P e t e rK o k o t o v i c 教 授 的 指导 下 由 伊 利 诺 伊 大 学 的 S a n n u t i （ 1 9 6 8 ）提 出 的 ， 这 启 发 了 作 者 在 I I T 的 这 一 领 域的 工 作 （ N a i d u （ 1 9 7 7 ） ） 。广义地说，一个小参数（如小时间常数）的抑制导致维数退化（以及某些边界条件的随之破坏）的动力系统被称为“奇异摄动”系统，并且该系统包含对慢动力学和快动力学负责的奇异摄动和时标特征值的奇异摄动和时标（SPaTS）。图1显示了SPaTS的基本概念，相对于一个简单的二阶系统，说明了系统阶次的退化，一个边界（初始）条件的丢失，边界层（快速过渡层）的存在。利用SPaTS方法，这种奇异摄动（或时标）系统被分解为低阶（慢和快）子系统，用于分析和设计控制器，导致刚度减轻，恢复，损失的边界条件，更好地了解动态和降阶控制器适合实时应用。图2显示了SPaTS技术的基本原理，用于设计与原始高阶系统一起使用的低阶控制器。该研究的重点是开发SPaTS方法，由一个年轻人为核心 技 术 创 新 （ Kokotovicetal 。 （ 1986 ） ; Naidu（1988）），离散（Naidu和Rao（1985）;© 2012 IFAC 28 10.3182/20120619-3-RU-2024.000452012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会29Xs++ucx，zzfuf快速控制器低阶快子系统原始高级别系统低阶慢子系统慢控制器54（0）第三节（0）2个10-1（0）z (0)-2气 动 辅 助 轨 道 转 移 飞 行 器 的 控 制 策 略 （ Naidu（1994年））。在空间运输系统中，空气制动（或空气辅助）被定义为在轨道转移操作期间由大气阻力作用在飞行器上而产生的减速，并且被证明可以节省空间飞行器上携带的燃料，否则将使用消耗燃料的火箭（图3）。所研究的各种研究课题是进入大气层问题、平面和非平面轨道转移的燃料最佳轨道、倾斜角巡航控制和轨道转移的推力和制导方案。-30123 45不Fig. 1. SPaTS的基本概念us图二. SPaTS技术原理Naidu （ 1988 ） ） 、 stochastic （ Gaji′canddShen（ 1991 ） ） 、 ada-tive （ IoannouanddKokotovi′c（ 1983）） 和 nonlinear（Koko-tovi′cetal. （ 1986年）在此基础上，Gaji'candQureshi（1995）的工作（与2012年IFAC-IAC研讨会的主题相呼应）研究了奇异摄动弱耦合系统的小参数代数Lyapunov方程.有关SPaTS的 最 新 详 细 信 息 ， 请 参 见 Naidu and Calise（2001）; Naidu（2002）。2. NASA朗格利的控制系统研究（1985-1990）2.1 NASA兰利研究中心：1985-1990年1985年，作者获得了华盛顿特区国家科学院高级国家研究委员会协会的资格，在美国弗吉尼亚州汉普顿的NASA兰利研究中心的制导和控制部进行研究研究集中在离散控制系统中的SPaTS方法的两个主题上-图3. 行星轨道的空气制动此外，对1984-2004年期间的SPaTS理论进行了综述，以与Kokotovic et al先前提出的观点保持一致。（ Kokotovicetal. （ 1976 ） ;Saksenaetal.（1984））。3. ISU的控制系统研究几个教育和研究的努力是accom-plished在爱达荷州立大学。3.1 测量与控制工程研究生课程（MCE）跨 学 科 研 究 生 （ MS ） 计 划 测 量 与 控 制 工 程（MCE）始于1987年（在美国或世界其他地区为数不多的几个之一）是作者特别感兴趣的背景在控制系统中。这是科学（测量）和控制工程之间的结合（互连）。该计划吸引了来自各种（电气，机械，化学，航空航天）工程和科学（数学，物理和计算机科学）的学生。该计划有两个测量课程（高级测量系统，建模和仿真，机器人技术）和更倾向于控制（高级工程数学，最佳，自适应，非线性，鲁棒和智能控制系统）。一个值得注意的组成部分，涉及机电一体化（机械，电子和项目（Naidu和Price（1988））和指导和控制）于1993年被添加到MCE计划中。-7X快速特征值-1X慢本征值边界层x（t，n）：慢解（0）x（t）：x（t，n）的退化解（0）z (t)：z（t，m）的退化解z（t，n）：快速解2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会30最终条件火箭发动机控制电流条件吸气式发动机控制姿态控制高度和海拔率导航位置、速度和航向燃料传感器惯性传感器态度姿态控制器最优制导指令空气呼吸器发动机控制器火箭发动机控制器-11-1/Ts-Domainz-Domain回复{s}<0| z|<1| 1 + T |<1见图4。稳定域3.2 测控工程研究中心（MCERC）：1993年最值得注意和令人满意的成就是作者在1993年开始的跨学科研究中心MCERC。它有各种研究实验室，涉及测量和控制，航空航天，风洞，生物医学，结构，能源，机器人等。3.3 最优控制问题的统一方法在这里，研究的重点是开发一种统一的方法，该方法基于统一的符号和稳定区域，同样适用于连续时间和离散时间系统（图4）。特别是，我们开发了一种统一的方法，用于变分法中的欧拉-拉格朗日方程，开环（Imura和Naidu（2007））和闭环（Imura和Naidu（2011））最优控制问题。4. 大学与实验室之间的合作：1990年至今作者有机会与工业或联邦国家实验室合作，如美国能源部下属的爱达荷国家实验室（INL）（ www.inl.gov ） 和 美 国 空 军 研 究 实 验 室（AFRL）（http：//www.wpafb.af.mil/AFRL）。与国家实验室合作的三个值得注意的研究领域是(1) 基于INL的(2) 具有INL的仪表、控制和智能系统（ICIS）区别性签名，以及(3) 带AFRL的高超声速飞行器制导与控制策略，图五、直接模型参考自适应控制燃料见图6。高超声速飞行器4.2美国空军研究实验室（AFRL）的高超音速控制研究：1998- 1999最后，本文对21世纪发展的关键技术进行了简要的回顾，指出高超声速技术和冲压喷气/超音速冲压喷气推进技术在速度、高度和航程方面具有很大的潜力，并具有灵活的召回、途中改向和返回基地的能力，可用于拦截、侦察和轨道运输等军事行动。在这项工作中，我们集中在高超声速飞行器的制导和控制（GC）策略，包括那些用于军事应用。我们解决了各种任务的G C问题，如上升到轨道，如下面简要描述的。4.1熔化极气体保护焊（GMAW）的建模、传感和控制正在与INL合作进行焊接领域的跨学科研究。图5显示了用于气体保护金属极电弧焊（GMAW）项目的直接模型参考自适应控制（DMRAC）方案的框图，该项目由爱达荷国家实验室（INL）管理的大学研究联盟（URC）资助特别是进入大气层、高超音速巡航和一般轨道转移操作（Naidu（2010））。图6是一个典型的高超声速飞行器的制导和控制的总体结构。4.3弹性控制系统：2008年至今作者一直与这项努力密切相关启动弹性控制系统（RCS）领域，作为爱达荷州国家实验室和三所爱达荷州大学（博伊西州立大学、爱达荷州立大学和爱达荷高超声速飞行器2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会31见图7。用于水下探测的（UofI））。 根据“G r a n d C h a l l e n g e i n R e s in t C o n t C o n t R o n t S y s t e s s s（R C S）“，一个R e s i n t C o n t C o n t R o n t S y s t e s d e f i n d a s（www. 因湖gov）“必须确保一个可接受的正常操作水平，以响应异常情况，包括恶意和意外的威胁“。 这种方法主要是通过了解对任何系统正常性的威胁来实现的，并且弹性设计可以在存在威胁的情况下保持操作正常性。第 五 届 弹 性 控 制 系 统 国 际 研 讨 会 （ ISRCS ）（https：//secureweb.inl.gov/isrcs2012）由INL和五所地区大学（BSU、ISU、USU、I的 U和U的U）组织，并得到IEEE工业电子学会（IES）的技术5. 2004年台湾科技大学的柔性束流控制研究SPaTS的技术进行了研究，具体应用到灵活的梁和龙门起重机在机械，结构和/或海洋工程。2004年夏 天 ， 作 者 在 挪 威 特 隆 赫 姆 的 挪 威 科 技 大 学（NTNU）船舶和海洋结构卓越中心（SESOS）进行了图7显示了用于探索海洋中任何残骸的灵活机器人操作的艺术视图。图8示出了由电动机致动的简单柔性梁简而言之，工作（Naidu（2011））集中在基于奇异摄动和反馈线性化两种方法的柔性梁分析上主要目的是采用反馈线性化方法，设计一个比例-积分-微分（PID）计算转矩复合（慢速和快速）控制器，以提高跟踪性能。6. ISU生物医学工程控制研究：2005-2012一个重要的跨学科项目是智能假肢手技术，目前正在ISU的MCERC进行，与国防高级研究计划局（DARPA）革命性假肢计划（www.darpa.mil）相协调，这是一项雄心勃勃的努力，旨在为在执行任务时约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）（www.jhuapl.edu）i（t）RL见图8。带致动器的见图9。ISU的假肢手技术获得了一份价值3040万美元的合同，开始2009年革命性假肢的第一阶段，这是一个为期4年的项目，旨在开发下一代机械臂，模仿真实物体的属性和感官知觉。该项目有多达7名研究人员和研究生（8名博士和几名硕士），他们来自工程（电气、机械、组织）、科学（计算机科学、生物医学）和健康（物理和职业治疗）的各个学科。图9显示了研究项目的概述，该研究项目旨在开发一种智能假手，该假手使用智能策略进行肌电（EMG）信号提取、分析、识别、运动学合成，以及嵌入式分层实时系统和软计算与硬计算技术融合的控制。开发了一种新的细胞体外模型来解决细胞信号传导和生物相容性的假定问题这个正在进行的项目到目前为止产生了3个博士毕业生（7个即将完成），几个出版物（Naidu et al.（2011）），包括期刊文章，书籍章节和国际会议论文集。7. 结论和今后的方向结论本文介绍了作者从1965年在印度理工学院（IIT）到2012年在爱达荷州立大学（ISU）从事控制系统工程（CSE）的教学和研究经验。1958年开始的IIT电气工程系CSE技术或科学硕士（MTech/MS）课程可能是最古老的毕业生之一QmKsqbu（t）M电致动器柔性传递接头柔性束2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会32图10. 智能假肢手项目组在世界任何地方的CSE项目。在过去的近50年里，作者有幸在世界各地的各种机构工作，从事控制系 统 （ 包 括 时 标 ） 的 理 论 和 应 用 领 域 的研 究（Naidu和Calise（2001年）; Naidu（2002））应用于 科 学 和 工 程 领 域 的 广 泛 领 域 ， 如 航 空 航 天（Naidu（1994））、电气和生物医学科学和工程、焊接（Naidu等人（2003））和生态学（Naidu和Rajagopalan（1979））。特别是，这一旅程的一些重要创新和亮点是开发仪器仪表或测量和控制工程（MCE）的跨学科研究生课程，并在ISU建立和 发 展 跨 学 科 测 量 和 控 制 工 程 研 究 中 心（MCERC），目前领导着一支由研究人员和工程研 究 生 组 成 的 跨 学 科 团 队 （ 电 气 、 机 械 、 组织）、科学（计算机科学、生物医学）和健康（物理和职业治疗），用于研究和开发智能假肢手 技 术 项 目，该项目由 美 国 国 防 部 资 助 ， 并 由DARPA 的 革 命 性 假 肢 项 目 资 助 （ Naidu 等 人 ，（2011））。未来的方向和挑战在2003年，共有2003个国家的2003名妇女参加了这一由“futur edi-recti o n s i n c o n t r o l”组成的培训班。（2003），其中控制社区面临的一些挑战和机遇是• 具有符号和连续动态的系统的控制，• 分布式、异步、网络化环境中的控制，• 高度协调和自主，• 控制算法的自动合成，具有集成的确认和验证，以及• 从不可靠的部分构建非常可靠的系统。最近关于控制社区可以利用其专业知识的新兴（革命性、突破性、改变游戏规则或变革性）领域的博览会，• IEEE（www.ieee.org）列表· 生物医学工程（Lai等人（2007）; Naidu等人（2008））（2011年）），· 生物燃料，· 替代能源和智能电网等（H.M.Hoa和D.S.Naidu（2011年））。• NSF（www.nsf.gov），列出了研究和创新的新兴前沿（EFRI），如· 柔性生物电子系统（BioFlex），· Origami Design for Integration of Self-AssembledSystems for Engineering Innovation（ODISSEI）· 光合生物精炼厂（PSBR），以及• “The Third Revolution: The Convergence of the LifeSciences, Physical Sciences,and Engineering”, (Sharpand Others (2011)) with a “new model for scientificresearch known as “convergence” offers the potentialfor revolutionary advances in biomedicine and otherareas of science” and“the“Third Revolution” inbiomedicine that may be as profound as the two life-science revolutions that preceded it: the break-throughs accompanying the development of molecularand cellular biology, and the sequencing of the humangenome.作者有机会领导DARPA在ISU发起的革命性假肢的努力，这是工程（外科、机械、组织）、科学（计算机科学、生物医学）和健康（ 物 理 和 职 业 治 疗 ） 之 间 的 融 合 ，（2011））。• 弹性控制系统的巨大挑战，该系统使用状态感知并保持可接受的正常操作水平以应对干扰，包括恶意和意外自然的威胁（www.inl.gov）。确认作者对近50年来为他在控制系统方面的教育（教学和研究）经验做出贡献的所有人深表感谢这是一个相当令人兴奋的旅程！爱达荷州立大学和美国教育部的财政援助。我们非常感谢国防部为这次会议提供的旅费引用Athans，M. 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