控制工程

　　控制工程（英語：Controlengineering）或控制系統(tǒng)工程學或在歐洲稱為自動化工程，是一門處理控制系統(tǒng)的工程學科，將控制理論應用于在控制環(huán)境中的設備和系統(tǒng)設計產生所需的行為。控制學科通常在世界各地的許多機構與電氣工程和機械工程一起教授。

　　控制的實作使用感測器和檢測器來測量受控過程輸出的性能；這些測量用于提供修正反饋，幫助實現所需的性能。無需人工輸入即可執(zhí)行的系統(tǒng)稱為自動控制系統(tǒng)（例如用于調節(jié)汽車速度的巡航控制系統(tǒng)）。控制系統(tǒng)工程活動本質上是多學科的，主要專注在控制系統(tǒng)的實作上，主要是以對各種系統(tǒng)的數學模型得出的。

概述

　　現代控制工程是相對較新的研究領域，在20世紀隨技術的進步而受到廣泛關注。它可以被廣義地定義或歸類為控制理論的實際應用。從簡單的家用洗衣機到高性能的F-16戰(zhàn)斗機，控制工程在廣泛的控制系統(tǒng)中發(fā)揮著至關重要的作用。其宗旨在使用數學模型，從輸入、輸出和具有不同行為的各種組件方面理解物理系統(tǒng)；使用控制系統(tǒng)設計工具為這些系統(tǒng)開發(fā)控制器；并使用可用技術的物理系統(tǒng)中實作控制器。一個系統(tǒng)可以是機械的、電氣的、流體的、化學的、金融的或生物的，其數學模型、分析和控制器設計在一個或多個時間、頻率和復數域中使用控制理論，具體取決于設計的性質問題。

歷史

　　自動控制系統(tǒng)最早發(fā)展于兩千多年前。有記錄的第一個反饋控制裝置被認為是公元前三世紀左右在埃及亞歷山大港的古代Ktesibios的水鐘。它用調節(jié)容器中的水位，也就是水從容器中流出，來標示時間。這無疑是一個成功的設備，因為當蒙古人于公元1258年占領巴格達時，類似設計的水鐘仍在巴格達制造。幾個世紀以來，各種自動設備被用于完成任務或為了娛樂。后者包括17世紀和18世紀在歐洲流行的自動機，其特點是跳舞的人物會一遍又一遍地重復相同的動作；這些自動機是開回路控制的例子。反饋或“閉回路”自動控制裝置的里程碑包括大約1620年由Drebbel設計的熔爐溫度調節(jié)器，以及詹姆斯?瓦特在1788年用于調節(jié)蒸汽機速度的離心飛球調速器。

　　詹姆士·克拉克·馬克士威在他1868年的論文《論調速器》中，能夠使用微分方程描述控制系統(tǒng)來解釋飛球調速器所表現的不穩(wěn)定性。這證明數學模型和方法在理解復雜現象方面的重要性和有用性，標志著數學控制和系統(tǒng)理論的開始。控制理論的元素出現得更早，但不像馬克士威的分析那樣引人注目和令人信服。

　　控制理論在20世紀取得了重大進展。新的數學技術，以及電子和計算機科技的進步，使得控制比原來的飛球調節(jié)器更復雜的動力系統(tǒng)成為可能。新的數學技術包括1950和1960年代最佳化控制的發(fā)展，隨后在1970年代和1980年代隨機、韌性、自適應、非線性控制方法取得了進展。控制方法的應用有助于太空旅行和通信衛(wèi)星、更安全和更高效能的飛機、更清潔的汽車引擎以及更清潔和更高效的化學過程成為可能。

　　在它成為一門獨特的學科之前，控制工程曾是機械工程實作的一部分，控制理論作為電氣工程的一部分進行了研究，因為控制理論技術用電路描述通常比較容易。在最初的控制關系中，電流輸出由電壓控制輸入表示。然而，由于沒有足夠的技術來實施電氣控制系統(tǒng)，設計人員只能選擇效率較低且響應緩慢的機械系統(tǒng)。調速器是一種非常有效的機械控制器，目前仍廣泛用于一些水電站。后來，在現代電力電子之前，工業(yè)應用的過程控制系統(tǒng)是由機械工程師使用氣動和液壓控制裝置設計的，其中許多至今仍在使用。

控制理論

　　控制理論有兩個主要分支，即古典的和現代的，它們對控制工程的應用有直接的影響。

古典的SISO系統(tǒng)設計

　　古典控制理論的范圍僅限于單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)設計，除非使用第二個輸入分析干擾抑制。系統(tǒng)分析在時域中使用微分方程，在復數-s域中使用拉普拉斯變換，或在頻域中通過從復數-s域進行變換。可以假設許多系統(tǒng)在時域中具有二階和單變數系統(tǒng)響應。由于不準確的設計近似，使用古典理論設計的控制器通常需要現場調整。然而，由于與使用現代控制理論設計的系統(tǒng)相比，古典控制器設計的物理實作比較容易，因此這些控制器在大多數工業(yè)應用中都是首選。使用古典控制理論設計最常見的控制器是PID控制器。較罕見的實作可能包括超前或延后過濾器，其中之一或二者。最終目標是滿足通常在稱為階躍響應的時域中提供的要求，或者有時在稱為開回路響應的頻域中提供的要求。規(guī)范中應用的階躍響應特性通常是過沖百分比、穩(wěn)定時間等。規(guī)范中應用的開回路響應特性通常是增益和相位裕度以及帶寬。這些特性可以通過模擬來評估，包括與補償模型耦合的受控系統(tǒng)的動態(tài)模型。

現代MIMO系統(tǒng)設計

　　現代控制理論是在狀態(tài)空間中進行的，可以處理多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)。這克服了古典控制理論在更復雜的設計問題（例如戰(zhàn)斗機控制）中的局限性，即無法進行頻域分析。在現代設計中，將系統(tǒng)表示為使用狀態(tài)變數定義的一組解耦的一階微分方程的最大優(yōu)勢。非線性、多變數、自適應和韌性控制理論屬于這一類。矩陣法在輸入和輸出之間的關系中無法保證線性獨立性的MIMO系統(tǒng)中受到很大限制。現代控制理論仍有許多領域有待探索。RudolfE.Kálmán和AleksandrLyapunov等學者在塑造現代控制理論的人們中廣為人知。

控制系統(tǒng)

　　控制工程是門工程學科，專注于對各種動態(tài)系統(tǒng)（例如機械系統(tǒng)）建立模型，以及設計控制器使這些系統(tǒng)以預期的方式運行。盡管這樣的控制器不必然是電氣的，但很多都是電氣的，因此控制工程通常被視為電氣工程的一個子領域。

　　電路、數位信號處理器和微控制器都可以用來實作控制系統(tǒng)。控制工程具有廣泛的應用，從商用客機的飛行和推進系統(tǒng)到許多現代汽車中的巡航控制。

　　在大多數情況下，控制工程師在設計控制系統(tǒng)時會利用反饋。這通常使用PID控制器系統(tǒng)來完成。例如，在具有巡航控制系統(tǒng)的汽車中，車輛的速度會被持續(xù)監(jiān)控并反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)會相應地調整電機的扭矩。在有定期反饋的情況下，控制理論可用于確定系統(tǒng)如何響應此類反饋。實際上，在所有此類系統(tǒng)中，穩(wěn)定性都很重要，控制理論可以幫助確保實現穩(wěn)定性。

　　盡管反饋是控制工程的重要因素，但控制工程師也可以在沒有反饋的情況下對系統(tǒng)進行控制。這稱為開回路控制。開回路控制的典型例子是洗衣機在不使用感應器的情況下運行一個預定的周期。

近期進展

　　最初，控制工程都是關于連續(xù)系統(tǒng)的。計算機控制工具的開發(fā)對離散控制系統(tǒng)工程有所要求，因為計算機的數位控制器和物理系統(tǒng)之間的通訊由計算機時脈控制。與離散域中的拉普拉斯變換等效的是Z轉換。今天，許多控制系統(tǒng)都是計算機控制的，它們由數位和模擬組件組成。

　　因此，在設計階段，要么將數字元件映射到連續(xù)域并在連續(xù)域中進行設計，要么將模擬元件映射到離散域并在那里進行設計。這兩種方法中的第一種在實踐中更為常見，因為許多工業(yè)系統(tǒng)具有許多連續(xù)系統(tǒng)組件，包括機械、流體、生物和模擬電氣組件，以及一些數字控制器。

　　類似地，設計技術已經從用紙張與尺的手動設計發(fā)展到計算機輔助設計，現在又發(fā)展到計算機自動化設計或CAD，進化計算已經使之成為可能。CAD不僅可以用于調整預先定義的控制方案，還可以應用于控制器結構最佳化、系統(tǒng)識別和新型控制系統(tǒng)的發(fā)明，完全基于性能要求，獨立于任何特定的控制方案。

　　韌性控制系統(tǒng)將傳統(tǒng)僅解決計劃中干擾的重點擴展到框架，并嘗試解決多種類型的意外干擾；特別是適應和轉換控制系統(tǒng)的行為以響應惡意行為者、異常故障模式、不良人為行為等。

　　近年來，基于強化學習(RL)的策略，以不斷與環(huán)境交互來學習最優(yōu)控制策略已經變得流行起來。

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