控制工程的发展及应用

控制工程的发展及应用

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控制工程的发展

控制理论是一项重要的科学革命，于20世纪产生的相对论、量子理论及控

制理论被人们认为是三项重要的科学革命，人们借助该三项理论实现着客观世界

认识上的飞跃。在阅读学习中，我对控制工程这门学科有了更为清晰地认识。它

的产生起源可上溯至十八世纪发生在英国的第一次工业革命中，瓦特在蒸汽机的

发明之后，将离心式非锤调速器的相关控制原理应用于蒸汽机转速的控制中，开

创出以蒸汽作为原动力的机械化格局，而之后的工程界逐渐的将控制理论应用于

调速系统稳定性的研究中，通信技术和信息处理技术的高速发展，使得电气工程

师不断的研究出更为科学全面的控制系统分析方法，实现了控制系统的条件稳定

性及开环不稳定性的分析研究，而控制理论的创始人于1948年所发表的控制理

论的相关著作，就控制理论的相关方法所进行得阐述，推动反馈概念的应用并为

控制理论的形成奠定下坚实的基础。

如今科技的发展，使得控制技术的不断完善，尤其是在计算机技术的不断推

动之下，控制理论与控制工程拥有着更深入的发展。在进入2l世纪以来，以计

算机技术、通信技术及控制技术为典型代表的IT产业的发展及普及中，核心是

计算机技术，关键是通信技术，而基础是控制技术，使得控制学科逐渐的发展成

为基础性的科学，控制系统与控制工程中的系统结构、系统稳定、反馈调节及智

能系统的相关思想及理论，在自然学科下的多种科学领域获取广泛应用的同时，

在人文等学科中也有着广泛的应用体现，所以我觉得控制理论与控制工程已不再

是单纯的学科，已逐渐的发展成为较为全面和系统的世界观。我想这也就是我们

学习控制工程基础的一个原因。

控制工程的发展经历了一个很漫长的时间，其也遇到了很多的曲折。控制工

程的发展下面这个表格可以对其进行很清晰的解答。

2 控制工程的应用

控制工程作为一个基础学科，它的渗透是到各个领域和学科的。它可以涉及

到工农业、交通运输业、生物技术、信息技术、通信技术、管理技术等。它不仅

可以对传统的行业进行引导，同时对新兴的行业也具有重要的指导作用。下面选

几个有代表性的领域，分析了解一下控制工程在其中的应用。

2.1 农业工程

20世纪50年代开始的“农业革命”，通过增加化肥、杀虫剂和除草剂的投入

有效地增加了粮食的产量，但是，这种高投入的农业也对环境产生了一些负面的

影响，例如进入水体和土壤的污染物增加。与此同时，城镇化的发展、人口的积

聚和固体废弃物等管理落后，以及水冲厕所的普及，也造成了散排污水的增多，

这种分散式污水最终也进入了土壤和水体，从而引起受纳水体的富营养化等生态

危害。可见，农业面源污染的发生和发展，在一定程度上已经严重制约了中国社

会主义新农村建设步伐和农村经济可持续发展。

面对上述问题，国内虽有许多的解决方案，但都存在分析问题片面化，所以

建立合适的控制理论体系方能对农业面源污染问题进行合理的解决。所以文中提

出了一套“减源--拦截--修复”的3R控制理论，从而对农业中所遇到的面源污染

问题进行解决。不同的农业类型和不同的流域需要制定不同的控制目标。从分析

农业区面源成因后，针对不同地理特点和生态环境特征的农业区域，技术研发要

根据环境特征，充分利用现有条件，并考虑该地区将来的发展。在农业面源控制

工程建设过程中，应注重“预防”、“治理”与“经营”相结合，建立符合市场经

济规律的运行模式。因此，在农业面源污染控制工程建设框架中，需要构建不同

的技术控制单元，实现逐级设置的目标，从而达到目标效益的最大化。

3R控制理论，即在农业面源污染控制工程建设过程中，以实现农业环境保

护、农业经济可持续发展以及农业人居环境和意识形态相和谐发展为目标，从污

染物产生的源头开展污染物的减量化工程，在污染物迁移过程中开展污染物的拦

截与阻断工程，并对面源污染物进行深度的处理与再净化，在此基础上对农业生

态系统进行环保修复，实现农业生态系统自我修复功能的提高和系统的稳态转

换。

这套控制理论的具体实现是减源、拦截、修复。“减源”就是减少农业面源

污染的源头。：通过对面源污染物质来源输入量的减少实现农业面源污染物质的

产生量最小化。“拦截”是在“减源”的基础之上，在面源污染物质迁移的过程

中，利用拦截和阻断技术，阻碍污染物质的运移或延长污染物质的迁移路径，从

而实现污染物质迁移与扩散量的最小化。“修复”指在对农业面源污染物质最大

化去除之后，需要对整个农业生态系统进行重新审视与修复，实现生态系统的健

康良性发展。通过以上三级措施的实施，最终实现整个农业生态系统结构、功能

从本质上提高和优化，实现农业面源污染物质的最小量输出和“有害”物质的最

大化利用，并建立具有消纳农业面源污染物质的健康农业生态系统。

以上是3R控制理论在农业污染面源问题上的应用，其实也是控制理论体系

在农业工程上的运用。

2.2 青藏铁路站区给排水工程

控制工程在给排水系统中也有着重要的应用。为了保证青藏铁路沿线的车

站、桥隧守护点等地方的常住及流动人员的生活作业用水，并考虑高原环境保护

的特殊要求，对使用后的废水进行必要的处理，这就需要设置完整的全套给排水

系统。根据青藏铁路的实际需要，给排水系统应包括水源、给排水管路、输配水

构筑物、污水处理设施、自动控制系统。

自动控制怎么在高原给排水系统中实现，针对青藏高原特殊的自然环境特点

与铁路管理无人值守的要求，采用了由PLC模块、采集模块及数字化探头组成

的智能测控系统。自动控制系统由自动检测与自动控制两大部分组成，其中自动

检测包括温度、水位、水压、流量、电流、电压等参数的自动检测；自动操作包

括给水泵、污水泵、放空电磁阀的启闭以及各管道、检查井、阀门井的加热电缆

与加热板的启停。多年冻土区中的给排水自控系统的核心是设置在冻土区给排水

设施的温控系统。本系统由3个子系统组成：中控子系统、通讯子系统和现场监

控子系统。给排水系统控制逻辑包括管道加热控制逻辑和污水泵控制逻辑，分别

见图1、2。

图1加热控制逻辑

2.3 智能控制工程

自 1985 年在纽约召开第一届智能控制学术会议至今 ，智能控制已经被广

泛研究应用于工业、农业、 服务业、 军事航空等各个领域。近年来 ,随着人工

智能技术和其他信息处理技术 ,尤其是信息论、 系统论和控制论的发展 ,智能控

制在控制机理和应用实践方面均取得了突破性的进展。

随着智能控制应用工程的日益成熟 ,为方便智能控制应用的开发 ,研究人员

开发设计了各种软硬件技术。软件方面 ,有 MathWorks 公司推出的高性能数值

计算可视化软件 Matlab ，硬件方面 ,微电子技术界出现了 DSP芯片极大提高

了运算速度。致使智能控制的应用领域大为拓宽 ,不再局限于传统的控制领域 ,

还应用到污水处理、 家电智能化等方面。在更广义的控制角度上 ,智能控制已

应用到了气象预报及股市、 税收等经济领域。

A)机器人智能控制 机器人学一直是智能控制的一个重要应用领域。采

用人工神经网络、 模糊控制和专家系统技术对机器人进行定位、 环境建模、

检测、 控制和规划的研究已经日趋成熟 ,并在多个实际应用系统中得到验证。

智能控制技术也应用于机器人传感器信息融合和视觉处理方面.

B) 机械制造中的智能控制 工业制造业涉及一系列相关的操作和行为 ,

包括产品设计、 材料选择、 工艺流程设计、 生产过程、 检测过程、 管理以

及产品的销售.随着计算机的引入 ,现代制造业中相继出现了柔性制造系统

(FMS)、计算机集成制造系统 (CIM) 和智能制造系统 (AMS) 。人工智能技术的

出现也解决了很多机械制造行业中的难题。

C) 电力电子学研究领域中的智能控制 电力系统中发电机、 变压器、

电动机等电机电器设备的设计、 生产、 运行、 控制是一个复杂的过程 ,国内

外的电气工作者将人工智能技术引入到电气设备的优化设计、 故障诊断及控制

中 ,取得了良好的控制效果。

结语：

在这次的阅读中，我知道了控制工程的发展历程，也看到了控制工程在各个

领域所做出的贡献和应用。控制工程随着理论及支撑技术的不断完善，其逐渐的

由工农业及交通运输等较为传统的产业向生物、信息、通讯、管理等较为新颖的

产业中延伸，其也必将在未来社会的发展中获取更广泛的应用。

参考文献:

【1】王海龙 谈控制理论与控制工程的发展与应用 科技创新导报 2013（4）

【2】宋鹏飞 从控制工程到信息工程——从控制工程的发展看新技术革命 科技

故事博览 2012（9）

【3】吴永红，胡正义，杨林章 农业面源污染控制工程的“减源、拦截、修复"(3R)

理论与实践 农业工程学报 2011（5）

【4】王三反，陈霞，徐静 青藏铁路站区给排水系统自动控制工程试验 中国给

水排水 2011（21）

【5】蔡自兴，陈海燕，魏世勇 智能控制工程研究的进展 控制工程 2010（10）