控制工程的發展及應用

控制工程的發展及應用

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控制工程的發展

控制理論是一項重要的科學革命，于20世紀產生的相對論、量子理論及控

制理論被人們認為是三項重要的科學革命，人們借助該三項理論實現著客觀世界

認識上的飛躍。在閱讀學習中，我對控制工程這門學科有了更為清晰地認識。它

的產生起源可上溯至十八世紀發生在英國的第一次工業革命中，瓦特在蒸汽機的

發明之后，將離心式非錘調速器的相關控制原理應用于蒸汽機轉速的控制中，開

創出以蒸汽作為原動力的機械化格局，而之后的工程界逐漸的將控制理論應用于

調速系統穩定性的研究中，通信技術和信息處理技術的高速發展，使得電氣工程

師不斷的研究出更為科學全面的控制系統分析方法，實現了控制系統的條件穩定

性及開環不穩定性的分析研究，而控制理論的創始人于1948年所發表的控制理

論的相關著作，就控制理論的相關方法所進行得闡述，推動反饋概念的應用并為

控制理論的形成奠定下堅實的基礎。

如今科技的發展，使得控制技術的不斷完善，尤其是在計算機技術的不斷推

動之下，控制理論與控制工程擁有著更深入的發展。在進入2l世紀以來，以計

算機技術、通信技術及控制技術為典型代表的IT產業的發展及普及中，核心是

計算機技術，關鍵是通信技術，而基礎是控制技術，使得控制學科逐漸的發展成

為基礎性的科學，控制系統與控制工程中的系統結構、系統穩定、反饋調節及智

能系統的相關思想及理論，在自然學科下的多種科學領域獲取廣泛應用的同時，

在人文等學科中也有著廣泛的應用體現，所以我覺得控制理論與控制工程已不再

是單純的學科，已逐漸的發展成為較為全面和系統的世界觀。我想這也就是我們

學習控制工程基礎的一個原因。

控制工程的發展經歷了一個很漫長的時間，其也遇到了很多的曲折。控制工

程的發展下面這個表格可以對其進行很清晰的解答。

2 控制工程的應用

控制工程作為一個基礎學科，它的滲透是到各個領域和學科的。它可以涉及

到工農業、交通運輸業、生物技術、信息技術、通信技術、管理技術等。它不僅

可以對傳統的行業進行引導，同時對新興的行業也具有重要的指導作用。下面選

幾個有代表性的領域，分析了解一下控制工程在其中的應用。

2.1 農業工程

20世紀50年代開始的“農業革命”，通過增加化肥、殺蟲劑和除草劑的投入

有效地增加了糧食的產量，但是，這種高投入的農業也對環境產生了一些負面的

影響，例如進入水體和土壤的污染物增加。與此同時，城鎮化的發展、人口的積

聚和固體廢棄物等管理落后，以及水沖廁所的普及，也造成了散排污水的增多，

這種分散式污水最終也進入了土壤和水體，從而引起受納水體的富營養化等生態

危害。可見，農業面源污染的發生和發展，在一定程度上已經嚴重制約了中國社

會主義新農村建設步伐和農村經濟可持續發展。

面對上述問題，國內雖有許多的解決方案，但都存在分析問題片面化，所以

建立合適的控制理論體系方能對農業面源污染問題進行合理的解決。所以文中提

出了一套“減源--攔截--修復”的3R控制理論，從而對農業中所遇到的面源污染

問題進行解決。不同的農業類型和不同的流域需要制定不同的控制目標。從分析

農業區面源成因后，針對不同地理特點和生態環境特征的農業區域，技術研發要

根據環境特征，充分利用現有條件，并考慮該地區將來的發展。在農業面源控制

工程建設過程中，應注重“預防”、“治理”與“經營”相結合，建立符合市場經

濟規律的運行模式。因此，在農業面源污染控制工程建設框架中，需要構建不同

的技術控制單元，實現逐級設置的目標，從而達到目標效益的最大化。

3R控制理論，即在農業面源污染控制工程建設過程中，以實現農業環境保

護、農業經濟可持續發展以及農業人居環境和意識形態相和諧發展為目標，從污

染物產生的源頭開展污染物的減量化工程，在污染物遷移過程中開展污染物的攔

截與阻斷工程，并對面源污染物進行深度的處理與再凈化，在此基礎上對農業生

態系統進行環保修復，實現農業生態系統自我修復功能的提高和系統的穩態轉

換。

這套控制理論的具體實現是減源、攔截、修復。“減源”就是減少農業面源

污染的源頭。：通過對面源污染物質來源輸入量的減少實現農業面源污染物質的

產生量最小化。“攔截”是在“減源”的基礎之上，在面源污染物質遷移的過程

中，利用攔截和阻斷技術，阻礙污染物質的運移或延長污染物質的遷移路徑，從

而實現污染物質遷移與擴散量的最小化。“修復”指在對農業面源污染物質最大

化去除之后，需要對整個農業生態系統進行重新審視與修復，實現生態系統的健

康良性發展。通過以上三級措施的實施，最終實現整個農業生態系統結構、功能

從本質上提高和優化，實現農業面源污染物質的最小量輸出和“有害”物質的最

大化利用，并建立具有消納農業面源污染物質的健康農業生態系統。

以上是3R控制理論在農業污染面源問題上的應用，其實也是控制理論體系

在農業工程上的運用。

2.2 青藏鐵路站區給排水工程

控制工程在給排水系統中也有著重要的應用。為了保證青藏鐵路沿線的車

站、橋隧守護點等地方的常住及流動人員的生活作業用水，并考慮高原環境保護

的特殊要求，對使用后的廢水進行必要的處理，這就需要設置完整的全套給排水

系統。根據青藏鐵路的實際需要，給排水系統應包括水源、給排水管路、輸配水

構筑物、污水處理設施、自動控制系統。

自動控制怎么在高原給排水系統中實現，針對青藏高原特殊的自然環境特點

與鐵路管理無人值守的要求，采用了由PLC模塊、采集模塊及數字化探頭組成

的智能測控系統。自動控制系統由自動檢測與自動控制兩大部分組成，其中自動

檢測包括溫度、水位、水壓、流量、電流、電壓等參數的自動檢測；自動操作包

括給水泵、污水泵、放空電磁閥的啟閉以及各管道、檢查井、閥門井的加熱電纜

與加熱板的啟停。多年凍土區中的給排水自控系統的核心是設置在凍土區給排水

設施的溫控系統。本系統由3個子系統組成：中控子系統、通訊子系統和現場監

控子系統。給排水系統控制邏輯包括管道加熱控制邏輯和污水泵控制邏輯，分別

見圖1、2。

圖1加熱控制邏輯

2.3 智能控制工程

自 1985 年在紐約召開第一屆智能控制學術會議至今 ，智能控制已經被廣

泛研究應用于工業、農業、 服務業、 軍事航空等各個領域。近年來 ,隨著人工

智能技術和其他信息處理技術 ,尤其是信息論、 系統論和控制論的發展 ,智能控

制在控制機理和應用實踐方面均取得了突破性的進展。

隨著智能控制應用工程的日益成熟 ,為方便智能控制應用的開發 ,研究人員

開發設計了各種軟硬件技術。軟件方面 ,有 MathWorks 公司推出的高性能數值

計算可視化軟件 Matlab ，硬件方面 ,微電子技術界出現了 DSP芯片極大提高

了運算速度。致使智能控制的應用領域大為拓寬 ,不再局限于傳統的控制領域 ,

還應用到污水處理、 家電智能化等方面。在更廣義的控制角度上 ,智能控制已

應用到了氣象預報及股市、 稅收等經濟領域。

A)機器人智能控制 機器人學一直是智能控制的一個重要應用領域。采

用人工神經網絡、 模糊控制和專家系統技術對機器人進行定位、 環境建模、

檢測、 控制和規劃的研究已經日趨成熟 ,并在多個實際應用系統中得到驗證。

智能控制技術也應用于機器人傳感器信息融合和視覺處理方面.

B) 機械制造中的智能控制 工業制造業涉及一系列相關的操作和行為 ,

包括產品設計、 材料選擇、 工藝流程設計、 生產過程、 檢測過程、 管理以

及產品的銷售.隨著計算機的引入 ,現代制造業中相繼出現了柔性制造系統

(FMS)、計算機集成制造系統 (CIM) 和智能制造系統 (AMS) 。人工智能技術的

出現也解決了很多機械制造行業中的難題。

C) 電力電子學研究領域中的智能控制 電力系統中發電機、 變壓器、

電動機等電機電器設備的設計、 生產、 運行、 控制是一個復雜的過程 ,國內

外的電氣工作者將人工智能技術引入到電氣設備的優化設計、 故障診斷及控制

中 ,取得了良好的控制效果。

結語：

在這次的閱讀中，我知道了控制工程的發展歷程，也看到了控制工程在各個

領域所做出的貢獻和應用。控制工程隨著理論及支撐技術的不斷完善，其逐漸的

由工農業及交通運輸等較為傳統的產業向生物、信息、通訊、管理等較為新穎的

產業中延伸，其也必將在未來社會的發展中獲取更廣泛的應用。

參考文獻:

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【2】宋鵬飛 從控制工程到信息工程——從控制工程的發展看新技術革命 科技

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