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控制工程

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控制系统在航天中扮演了极为重要的角色。
控制系统在航天中扮演了极为重要的角色。

控制工程(英语:Control engineering)或控制系统工程学或在欧洲称为自动化工程,是一门处理控制系统的工程学科,将控制理论应用于在控制环境中的设备和系统设计产生所需的行为。控制学科通常在世界各地的许多机构与电气工程和机械工程一起教授。

控制的实作使用感测器和检测器来测量受控过程输出的性能;这些测量用于提供修正反馈,帮助实现所需的性能。无需人工输入即可执行的系统称为自动控制系统(例如用于调节汽车速度的巡航控制系统)。控制系统工程活动本质上是多学科的,主要专注在控制系统的实作上,主要是以对各种系统的数学模型得出的。


概述

现代控制工程是相对较新的研究领域,在 20 世纪随技术的进步而受到广泛关注。它可以被广义地定义或归类为控制理论的实际应用。从简单的家用洗衣机到高性能的 F-16 战斗机,控制工程在广泛的控制系统中发挥着至关重要的作用。其宗旨在使用数学模型,从输入、输出和具有不同行为的各种组件方面理解物理系统;使用控制系统设计工具为这些系统开发控制器;并使用可用技术的物理系统中实作控制器。一个系统可以是机械的、电气的、流体的、化学的、金融的或生物的,其数学模型、分析和控制器设计在一个或多个时间、频率和复数域中使用控制理论,具体取决于设计的性质问题。


历史

自动控制系统最早发展于两千多年前。有记录的第一个反馈控制装置被认为是公元前三世纪左右在埃及亚历山大港的古代 Ktesibios 的水钟。它用调节容器中的水位,也就是水从容器中流出,来标示时间。这无疑是一个成功的设备,因为当蒙古人于公元 1258 年占领巴格达时,类似设计的水钟仍在巴格达制造。几个世纪以来,各种自动设备被用于完成任务或为了娱乐。后者包括 17 世纪和 18 世纪在欧洲流行的自动机,其特点是跳舞的人物会一遍又一遍地重复相同的动作;这些自动机是开回路控制的例子。反馈或“闭回路”自动控制装置的里程碑包括大约 1620 年由 Drebbel 设计的熔炉温度调节器,以及詹姆斯•瓦特在 1788 年用于调节蒸汽机速度的离心飞球调速器。

詹姆士·克拉克·马克士威 在他 1868 年的论文《论调速器》中,能够使用微分方程描述控制系统来解释飞球调速器所表现的不稳定性。这证明数学模型和方法在理解复杂现象方面的重要性和有用性,标志着数学控制和系统理论的开始。控制理论的元素出现得更早,但不像 马克士威 的分析那样引人注目和令人信服。

控制理论在20世纪取得了重大进展。新的数学技术,以及电子和计算机科技的进步,使得控制比原来的飞球调节器更复杂的动力系统成为可能。新的数学技术包括 1950 和 1960 年代最佳化控制的发展,随后在 1970 年代和 1980 年代随机、韧性、自适应、非线性控制方法取得了进展。控制方法的应用有助于太空旅行和通信卫星、更安全和更高效能的飞机、更清洁的汽车引擎以及更清洁和更高效的化学过程成为可能。

在它成为一门独特的学科之前,控制工程曾是机械工程实作的一部分,控制理论作为电气工程的一部分进行了研究,因为控制理论技术用电路描述通常比较容易。在最初的控制关系中,电流输出由电压控制输入表示。然而,由于没有足够的技术来实施电气控制系统,设计人员只能选择效率较低且响应缓慢的机械系统。调速器是一种非常有效的机械控制器,目前仍广泛用于一些水电站。后来,在现代电力电子之前,工业应用的过程控制系统是由机械工程师使用气动和液压控制装置设计的,其中许多至今仍在使用。

控制理论

控制理论有两个主要分支,即古典的和现代的,它们对控制工程的应用有直接的影响。

古典的 SISO 系统设计

古典控制理论的范围仅限于单输入单输出 (SISO) 系统设计,除非使用第二个输入分析干扰抑制。系统分析在时域中使用微分方程,在复数-s 域中使用拉普拉斯变换,或在频域中通过从复数-s 域进行变换。可以假设许多系统在时域中具有二阶和单变数系统响应。由于不准确的设计近似,使用古典理论设计的控制器通常需要现场调整。然而,由于与使用现代控制理论设计的系统相比,古典控制器设计的物理实作比较容易,因此这些控制器在大多数工业应用中都是首选。使用古典控制理论设计最常见的控制器是 PID 控制器。较罕见的实作可能包括超前或延后过滤器,其中之一或二者。最终目标是满足通常在称为阶跃响应的时域中提供的要求,或者有时在称为开回路响应的频域中提供的要求。规范中应用的阶跃响应特性通常是过冲百分比、稳定时间等。规范中应用的开回路响应特性通常是增益和相位裕度以及带宽。这些特性可以通过模拟来评估,包括与补偿模型耦合的受控系统的动态模型。

现代 MIMO 系统设计

现代控制理论是在状态空间中进行的,可以处理多输入多输出(MIMO)系统。这克服了古典控制理论在更复杂的设计问题(例如战斗机控制)中的局限性,即无法进行频域分析。在现代设计中,将系统表示为使用状态变数定义的一组解耦的一阶微分方程的最大优势。非线性、多变数、自适应和韧性控制理论属于这一类。矩阵法在输入和输出之间的关系中无法保证线性独立性的 MIMO 系统中受到很大限制。现代控制理论仍有许多领域有待探索。 Rudolf E. Kálmán 和 Aleksandr Lyapunov 等学者在塑造现代控制理论的人们中广为人知。


控制系统

控制工程是门工程学科,专注于对各种动态系统(例如机械系统)建立模型,以及设计控制器使这些系统以预期的方式运行。尽管这样的控制器不必然是电气的,但很多都是电气的,因此控制工程通常被视为电气工程的一个子领域。

电路、数位信号处理器和微控制器都可以用来实作控制系统。控制工程具有广泛的应用,从商用客机的飞行和推进系统到许多现代汽车中的巡航控制。

在大多数情况下,控制工程师在设计控制系统时会利用反馈。这通常使用 PID 控制器系统来完成。例如,在具有巡航控制系统的汽车中,车辆的速度会被持续监控并反馈给系统,系统会相应地调整电机的扭矩。在有定期反馈的情况下,控制理论可用于确定系统如何响应此类反馈。实际上,在所有此类系统中,稳定性都很重要,控制理论可以帮助确保实现稳定性。

尽管反馈是控制工程的重要因素,但控制工程师也可以在没有反馈的情况下对系统进行控制。这称为开回路控制。开回路控制的典型例子是洗衣机在不使用感应器的情况下运行一个预定的周期。


近期进展

最初,控制工程都是关于连续系统的。计算机控制工具的开发对离散控制系统工程有所要求,因为计算机的数位控制器和物理系统之间的通讯由计算机时脉控制。与离散域中的拉普拉斯变换等效的是Z转换。今天,许多控制系统都是计算机控制的,它们由数位和模拟组件组成。

因此,在设计阶段,要么将数字元件映射到连续域并在连续域中进行设计,要么将模拟元件映射到离散域并在那里进行设计。这两种方法中的第一种在实践中更为常见,因为许多工业系统具有许多连续系统组件,包括机械、流体、生物和模拟电气组件,以及一些数字控制器。

类似地,设计技术已经从用纸张与尺的手动设计发展到计算机辅助设计,现在又发展到计算机自动化设计或 CAD,进化计算已经使之成为可能。 CAD 不仅可以用于调整预先定义的控制方案,还可以应用于控制器结构最佳化、系统识别和新型控制系统的发明,完全基于性能要求,独立于任何特定的控制方案。

韧性控制系统将传统仅解决计划中干扰的重点扩展到框架,并尝试解决多种类型的意外干扰;特别是适应和转换控制系统的行为以响应恶意行为者、异常故障模式、不良人为行为等。

近年来,基于强化学习 (RL) 的策略,以不断与环境交互来学习最优控制策略已经变得流行起来。

有关文献

  • Christopher Kilian. Modern Control Technology. Thompson Delmar Learning. 2005. ISBN 1-4018-5806-6. 
  • Arnold Zankl. Milestones in Automation: From the Transistor to the Digital Factory. Wiley-VCH. 2006. ISBN 3-89578-259-9. 

参考文献

外部链接

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控制工程
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