自动控制

自動控制是太空探索中最重要的學門，因為人類很難到達外太空和其他星球進行現場操作

自動化控制（automation control）屬於自動化技術的一門，廣義來說，通常是指不需藉著人力親自操作機器或機構，而能利用動物以外的其他裝置元件或能源，來達成人類所期盼執行的工作。更狹義地說即是以生化、機電、電腦、通訊、水力、蒸汽等科學知識與應用工具，進行設計來代替人力或減輕人力或簡化人類工作程序的機構機制，皆可稱之。

自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。

自动控制系统的理论主要是反馈论，包括从功能的观点对机器和物体中（神经系统、内分泌及其他系统）的调节和控制的一般规律的研究。离散控制理论在计算中也有很广泛的应用。

自动控制是工程科学的一个分支。它涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响，以使得输出值接近我们想要的值。从方法的角度看，它以数学的系统理论为基础。我们今天称作自动控制的是二十世纪中叶产生的控制论的一个分支。基础的结论是由诺伯特·维纳、鲁道夫·卡尔曼提出的。

• 举例：室内温度的调节

室内温度的调节是一个简明易懂的例子。目的是把室内温度保持在一个定值θ，尽管开窗等因素使得室内热量散发出室外（干扰d）。为了达到这个目的，加热必须被适当的影响。通过阀门的调节，温度就会保持恒定。除此之外，在人们有感觉之前，暖器热水的温度也会受外界温度的干扰。

总览

透過自動控制可以極少人員就完成諸多工作(甚至不須人員)

• 目标和任务

自动控制的目的是有目标的改变系统行为，使之达到预想的特性。这些特性可能是各种各样的，如：

• 公称值控制：控制系统的输出值准确的符合公称值。这是通过定值控制实现的，而公称值是会改变的。公称值必须保持不变。

• 轨迹结果：输出值遵循一定的动态公称值轨迹，这可以通过某些用于特定信号的控制器解决。

• 干扰排除：输出值应该排除干扰因素的影响。

• 活力：就算实际情况不能满足模型，以上三条也必须存在，这叫做系统的活力。

根据不同的目标，决定控制器是需要不同的方法的。自动控制的任务已经超出了控制的范畴之外。常见的有：

• 不稳定系统的稳定化

• 定值调节

• 带有或不带有动态传递的轨迹结果

• 干扰反馈，用以排除干扰

• 设备监测，用以防止和排除故障

为了解决这些问题，数学中的系统理论是必需的。这些方法有可分为，控制器，补偿器，和检测装置的设计，以及控制环节及整个系统的分析。

与其他学科的关系

自動化控制系統的研究，幾乎涵蓋所有應用科學知識與技術的結合，領域範圍及牽涉的科學知識與應用工具相當廣泛，作为交叉学科，自动控制与其他很多学科有关联，尤其是数学和信息学，在制造，医药，交通，机器人，以及经济学，社会学中的应用也都非常广泛。飞机和船舶中的自动驾驶，汽车中的防抱死和速度控制器也都是典型的应用。

控制和操控的区别

自动控制中一般的研究对象是控制回路。它由控制路程和控制器组成。

右边的结构显示了输出y对输入u的反馈。只有存在对误差和反馈，控制才能实现。德意志工业标准对控制的定义如下：

“控制是一个不断进行的控制值与主导值比较，然后反过来影响主导值的过程。”

历史

自动控制有着一段引人入胜的历史。

最初的控制器在公元前300年的古希腊就被发明了出来。来自埃及的古希腊工程师科泰西比奥斯的水钟就是通过浮子控制的。

比赞兹在公元前250年发明了油灯，通过浮子来控制油面的高度。

第一个带有反馈的控制系统来自于水面高度控制。

第一个带有反馈的温度控制器是荷兰人德雷贝尔发明的。

来自法国的帕潘在1681年第一个发明了蒸汽锅炉的压力调节装置。

第一个在工业领域使用的带有反馈的调节装置当属瓦特发明的离心力控制器，这是他在1769年为纽卡门的蒸汽机量身定做的。与此同时，俄罗斯人波尔祖诺夫发明了带有反馈的水面高度控制器，也属世界首创。水面高度的信息传递到浮子上，然后再反作用于蒸汽阀门上。

从1868年起，自动控制被许多新的发明推动着不断前进。但是，人们如果想要提高控制的精准性，就必须发展出自动控制领域一套完整的理论。这方面最早的数学理论是由麦克斯韦提出的，他为离心力控制器用微分方程构造了一个模型。

直到二战，自动控制系统的理论和实践在美国，西欧和在俄国，东欧沿着不同的方向发展。在西方，系统一般都在频域描述，问题都用伯德，尼奎斯特和布莱克的方法解决，而前苏联的数学家和工程师们一般在时域用微分方程解决问题。

自动控制技术的重大突破发生在二战时期，因为制造武器装备，必须处理复杂的系统。雷达，无人驾驶和自动瞄准系统只是几个带有反馈系统的例子。对新的控制系统的需求导致了新的数学方法的改善，从而控制技术有了自己的一套准则。

80年代，由于电子技术的出现，控制技术有了新的动因。工程师们可以更快更好地进行计算，高度复杂和精准的控制系统成为可能。

自動控制的基礎-數學

控制系統的研究非常需要依賴應用數學的使用，在理論分析過程中，數學扮演了一個相當重要的角色。實際上在自動控制系統在發展過程中，必須先作理論的分析與研究，然後才作最後的設計，如此才能夠獲得合理的預期及可靠的結果。因此，在學習自動控制系統之前，必須需要具備相當的數學基礎，方能獲得學習上的突破。
在控制系統的研究中，所需具備的數學基礎包括有微分方程式、線性代數、拉普拉斯变换、复变函数、z 变換等等。另一方面，由過去的單輸入單輸出(SISO)簡單系統，發展至多輸入多輸出(MIMO)複雜系統，因此，現代控制的發展則需要更精深的數學基礎，除了上述的數學外，現代控制理論是建立在矩陣理論、集合理論等等的高等數學基礎。

物理系統的數學模型

在控制系統的分析與設計中，建立模型是首要的步驟。模型可以是一個物理模型，也可以是一個數學模型，或是一個圖示模型。
通常一般只有在工程實務系統中才可能使用物理模型，例如，風動實驗室中的縮小比率之汽車或飛機模型均屬於靜態物理模型，而飛行模擬實驗室中的六自由度飛行模擬器則屬於動態物理模型。至於數學模型或是圖示模型則是建立於系統的理論基礎上，以方便系統的分析與設計。

控制环路

标准控制环路

在眾多的控制環路模型當中我們只以溫度的調節為例子解釋其中之一，即標準控制環路。

控制环路结构的扩展

系统模型和模型构造

线性和非线性系统

线性模型的形式

线性常微分方程是时域内的基础的连续模型。通过引入一些变量，我们可以得到状态空间模型（只含有一阶求导），状态空间模型描述了系统的所有动力学特性，包括其内部无法测得，而且也不是输出值的量。

对开始的常微分方程和状态空间模型进行拉普拉斯变换，我们可以得到传递函数。这是一个频域内的表述，只给出了输出和输入的关系，但没有描述系统内部的量。通过拉普拉斯变换，我们有了处理系统的一般方法，这比解微分方程要容易。在自动控制中传递函数通常用 G(s)表示。在多值系统中它是一个矩阵。

开环系统的传递函数有所有器件的传递函数组成（区间G(s)，控制器K(s)。

$G_o(s) = G(s) \cdot K(s)$

导向传递函数$G_w(s)$来自于输出通过测量器($G_m(s)$) 对控制器的反馈。

$G_w(s) = \frac{G_o(s)}{1+G_o(s) \cdot G_m(s)}$

若我们考察小频率时的$G_w(s)$，这时存在控制差。如果$G_w(s=0) = 1$ ，则控制差$e$为零。

伯德图可使传递函数显而易见。

非线性模型的形式

模型构造

环路效果的分析

稳定性

控制環路的穩定性是系統的一項重要特性，因為非穩定性常常導致系統的損傷（比如飛機的墜毀和鍋爐的爆炸）。穩定性理論方面的重要貢獻者有麥克斯韋，赫爾維茨等。

有很多概念和分析方法來評判控制環路的穩定性，這些構成了穩定性理論的基礎。

标称值

可以通過傳遞函數來檢驗。當頻率為零時，放大值應該為一。

动态传递表现

控制器的确定

以下的內容是介紹一些可以實現上面控制要求的控制器。控制器的結構可以是多種多樣的。下面只提供一個總覽。

调节的粗略原則

在這個概念下面，我們可以把各種控制的方式納入其中。我們優先使用不依賴與具體數學模型的方式。一些可以通過實驗確定的參數必須是給定的。

线性控制设计

所謂的設計方法，一個重要的特性是對於可達到的質量的保證（在LTI系統中）。這些在實踐中只是局部有效的，因為線性系統只是一種抽象和簡化，實際的系統與之多少有些偏差。在擾動模型當中，模型和實際系統的特性頗為一致，前提是偏差離工作點不太大。

线性时不变控制器的统一设计方法

即无论何种控制方法或结构，LTI系統都能根据所需性能指标和被控对象模型，应用计算机智能一次性设计。

时间连续性控制

数字控制

非线性控制设计

其他控制概念

自动控制系统的计算机自动設計 Computer-Automated Control System Design

控制的实现

生产当中使用的控制器

研发当中的快速样品

应用和举例

一般控制问题

技术应用

自然生物应用

在生物界，控制回路随处可见，比如

• 温度调节：恒温动物为了生存必须保持一定的体温范围，不能超出这个范围。每个恒温动物的神经系统都包含一系列的接收器和传感器，汗腺和肌肉作为调节装置。

• 脉动控制：为了给细胞提供足够的氧气和能量，足够的血液循环是必需的。二者又是身体的负载决定的。脉搏必须被调节。

• 血压：血压过低会阻碍供应细胞能量和氧气的血液循环，而过高的血压会使器官受到伤害。机体于是包含对血压的控制。

• 血糖控制：血糖值决定了身体的能量补给而且也必须符合身体的负载。

社会学中的例子

• 市场中的价格控制

• 计划经济当中的市场调节

而自動化控制的主要內容，一般可再細分為下列幾類：

工廠自動化控制(Factory control automation)

屬於電機工業中典型的控制系統

生產自動化控制（Production control automation），即是利用自動化的生產設備，一貫作業的生產方式，從事有效率的產品生產，我們稱之為工廠自動化控制。例如：

汽車工業的工廠自動化控制，採用一貫作業的生產方式，藉著整條生產線的分工裝配，每幾分鐘即可生產一部汽車。

紡織工業的工廠自動化控制，亦採用一貫作業的生產方式，每幾分鐘即可高速生產一批布料。

塑膠工業的工廠自動化控制，亦採用一貫作業的生產方式，產出塑膠原料後，在經過射出成型機器，產出各種塑膠模型。

電子工業的工廠自動化控制，亦採用一貫作業的生產方式，產出各式各樣的消費電子產品，如電視機、伴唱機、照相機等。

晶片製造工業的工廠自動化控制，亦採用一貫作業的生產方式，經過研磨、曝光、顯影、蝕刻、切割、封裝等技術，產出一顆顆的功能式晶片，以供應電子工業。

電機工業的工廠自動化控制，亦採用一貫作業的生產方式，產出各式各樣的電機設備產品，如變壓器、馬達、不斷電設備、發電機組等。

機械工業的工廠自動化控制，亦採用一貫作業的生產方式，產出各式各樣的機器設備產品，如車床、洗床、堆土機等。

製藥工業的工廠自動化控制，亦採用一貫作業的生產方式，產出各式各樣的藥品，提供治療所需等。

農業工業的工廠自動化控制，亦採用一貫作業的生產方式，產出各式各樣的花卉或盆栽，如蝴蝶蘭的育種栽培等。

設計自動化控制(Design control automation)

工廠自動化

設計自動化控制，即利用電腦軟體技術及應用，將所需設計的資料，轉成控制程序或生產流程，而且以簡單的圖或語言，來表示或執行製造過程的自動化控制的運作。

實驗室自動化控制（Laboratory control automation）

實驗室自動化控制，即利用自動化設備與電腦軟體技術及應用，或可程式控制器等設備，結合溫度、濕度、壓力、流量等感測器，將實驗室的控制程序或生產流程，及所需實驗結果的資料，轉成簡單的圖或語言，來表示或執行實驗室的自動化控制作。

檢測自動化控制(Detection control automation)

檢測自動化控制，即利用自動化的檢測設備與電腦軟體技術及程式應用，結合溫度、濕度、壓力、流量等感測器設備，能自動地檢測樣品，並將檢測的物理量的資料，轉成簡單的圖或語言，來表示檢測結果。

辦公室自動化控制(Office control automation)

辦公室自動化

辦公室自動化控制，即利用軟體程式技術及應用，將辦公室的文書資料或文書檔案，做有效率的管理，並結合傳真機、電話機、影印機、電腦等迅速地處理文書資料或文書檔案，以提供承辦人或決策主管參考。

家庭自動化控制(Home control automation)

家庭自動化控制，即利用自動化的設備與電腦軟體技術及程式應用，結合家庭用設備，如電視機、電鍋、冷氣機、電冰箱、瓦斯開關、警報系統、保全系統、監視系統等設備，以提高家庭舒適度與居家安全。

服務自動化控制(Service control automation)

服務自動化控制，即利用自動化的設備與電腦軟體技術及程式應用，結合各式各樣的自動化設備或感測器，監測、紀錄、轉接、通知、執行運作等，以供顧客或使用者，能快速處理相關作業或快速處理所遭遇的問題。諸如銀行轉帳自動化服務、旅館訂房自動化服務、飛機、客運、火車訂票自動化服務等。

這七大類自動化控制的範疇，及其相關產品與設備，佔社會經濟產值相當比重，對國家社會經濟影響很大，非常值得深思研究與發展應用。

參考文獻

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• 汪永文編著。2002。自動控制。全華科技圖書股份有限公司。
• 張充鑫，賴連康等編著。2003。自動化概論。全華科技圖書股份有限公司。
• 廖國清，蕭志清，陳曦照等編譯。1999。機電整合。全華科技圖書股份有限公司。
• Gene F. Franklin, J. D. Powell, and AbbasEmani-Naeini, Feedback Control of DynamicSystems, 4th ed., 2002.