控制工程（英語：Controlengineering）或控制系統(tǒng)工程學(xué)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(xué)科，將控制理論應(yīng)用于在控制環(huán)境中的設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生所需的行為?？刂茖W(xué)科通常在世界各地的許多機(jī)構(gòu)與電氣工程和機(jī)械工程一起教授。

　　控制的實(shí)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(shí)現(xiàn)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(diào)節(jié)汽車速度的巡航控制系統(tǒng)）?？刂葡到y(tǒng)工程活動本質(zhì)上是多學(xué)科的，主要專注在控制系統(tǒng)的實(shí)作上，主要是以對各種系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型得出的。

概述

　　現(xiàn)代控制工程是相對較新的研究領(lǐng)域，在20世紀(jì)隨技術(shù)的進(jìn)步而受到廣泛關(guān)注。它可以被廣義地定義或歸類為控制理論的實(shí)際應(yīng)用。從簡單的家用洗衣機(jī)到高性能的F-16戰(zhàn)斗機(jī)，控制工程在廣泛的控制系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其宗旨在使用數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)工具為這些系統(tǒng)開發(fā)控制器；并使用可用技術(shù)的物理系統(tǒng)中實(shí)作控制器。一個系統(tǒng)可以是機(jī)械的、電氣的、流體的、化學(xué)的、金融的或生物的，其數(shù)學(xué)模型、分析和控制器設(shè)計(jì)在一個或多個時間、頻率和復(fù)數(shù)域中使用控制理論，具體取決于設(shè)計(jì)的性質(zhì)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(rèn)為是公元前三世紀(jì)左右在埃及亞歷山大港的古代Ktesibios的水鐘。它用調(diào)節(jié)容器中的水位，也就是水從容器中流出，來標(biāo)示時間。這無疑是一個成功的設(shè)備，因?yàn)楫?dāng)蒙古人于公元1258年占領(lǐng)巴格達(dá)時，類似設(shè)計(jì)的水鐘仍在巴格達(dá)制造。幾個世紀(jì)以來，各種自動設(shè)備被用于完成任務(wù)或?yàn)榱藠蕵贰：笳甙?7世紀(jì)和18世紀(jì)在歐洲流行的自動機(jī)，其特點(diǎn)是跳舞的人物會一遍又一遍地重復(fù)相同的動作；這些自動機(jī)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(shè)計(jì)的熔爐溫度調(diào)節(jié)器，以及詹姆斯?瓦特在1788年用于調(diào)節(jié)蒸汽機(jī)速度的離心飛球調(diào)速器。

　　詹姆士·克拉克·馬克士威在他1868年的論文《論調(diào)速器》中，能夠使用微分方程描述控制系統(tǒng)來解釋飛球調(diào)速器所表現(xiàn)的不穩(wěn)定性。這證明數(shù)學(xué)模型和方法在理解復(fù)雜現(xiàn)象方面的重要性和有用性，標(biāo)志著數(shù)學(xué)控制和系統(tǒng)理論的開始?？刂评碚摰脑爻霈F(xiàn)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(jì)取得了重大進(jìn)展。新的數(shù)學(xué)技術(shù)，以及電子和計(jì)算機(jī)科技的進(jìn)步，使得控制比原來的飛球調(diào)節(jié)器更復(fù)雜的動力系統(tǒng)成為可能。新的數(shù)學(xué)技術(shù)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(jī)、韌性、自適應(yīng)、非線性控制方法取得了進(jìn)展?？刂品椒ǖ膽?yīng)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(jī)、更清潔的汽車引擎以及更清潔和更高效的化學(xué)過程成為可能。

　　在它成為一門獨(dú)特的學(xué)科之前，控制工程曾是機(jī)械工程實(shí)作的一部分，控制理論作為電氣工程的一部分進(jìn)行了研究，因?yàn)榭刂评碚摷夹g(shù)用電路描述通常比較容易。在最初的控制關(guān)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(shù)來實(shí)施電氣控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員只能選擇效率較低且響應(yīng)緩慢的機(jī)械系統(tǒng)。調(diào)速器是一種非常有效的機(jī)械控制器，目前仍廣泛用于一些水電站。后來，在現(xiàn)代電力電子之前，工業(yè)應(yīng)用的過程控制系統(tǒng)是由機(jī)械工程師使用氣動和液壓控制裝置設(shè)計(jì)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(xiàn)代的，它們對控制工程的應(yīng)用有直接的影響。

古典的SISO系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　古典控制理論的范圍僅限于單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(fù)數(shù)-s域中使用拉普拉斯變換，或在頻域中通過從復(fù)數(shù)-s域進(jìn)行變換?？梢约僭O(shè)許多系統(tǒng)在時域中具有二階和單變數(shù)系統(tǒng)響應(yīng)。由于不準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)近似，使用古典理論設(shè)計(jì)的控制器通常需要現(xiàn)場調(diào)整。然而，由于與使用現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)的系統(tǒng)相比，古典控制器設(shè)計(jì)的物理實(shí)作比較容易，因此這些控制器在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中都是首選。使用古典控制理論設(shè)計(jì)最常見的控制器是PID控制器。較罕見的實(shí)作可能包括超前或延后過濾器，其中之一或二者。最終目標(biāo)是滿足通常在稱為階躍響應(yīng)的時域中提供的要求，或者有時在稱為開回路響應(yīng)的頻域中提供的要求。規(guī)范中應(yīng)用的階躍響應(yīng)特性通常是過沖百分比、穩(wěn)定時間等。規(guī)范中應(yīng)用的開回路響應(yīng)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(bǔ)償模型耦合的受控系統(tǒng)的動態(tài)模型。

現(xiàn)代MIMO系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)代控制理論是在狀態(tài)空間中進(jìn)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(fù)雜的設(shè)計(jì)問題（例如戰(zhàn)斗機(jī)控制）中的局限性，即無法進(jìn)行頻域分析。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，將系統(tǒng)表示為使用狀態(tài)變數(shù)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(shù)、自適應(yīng)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(guān)系中無法保證線性獨(dú)立性的MIMO系統(tǒng)中受到很大限制?，F(xiàn)代控制理論仍有許多領(lǐng)域有待探索。RudolfE.Kálmán和AleksandrLyapunov等學(xué)者在塑造現(xiàn)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(xué)科，專注于對各種動態(tài)系統(tǒng)（例如機(jī)械系統(tǒng)）建立模型，以及設(shè)計(jì)控制器使這些系統(tǒng)以預(yù)期的方式運(yùn)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(lǐng)域。

　　電路、數(shù)位信號處理器和微控制器都可以用來實(shí)作控制系統(tǒng)。控制工程具有廣泛的應(yīng)用，從商用客機(jī)的飛行和推進(jìn)系統(tǒng)到許多現(xiàn)代汽車中的巡航控制。

　　在大多數(shù)情況下，控制工程師在設(shè)計(jì)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(yīng)地調(diào)整電機(jī)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(yīng)此類反饋。實(shí)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(shí)現(xiàn)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(jìn)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(jī)在不使用感應(yīng)器的情況下運(yùn)行一個預(yù)定的周期。

近期進(jìn)展

　　最初，控制工程都是關(guān)于連續(xù)系統(tǒng)的。計(jì)算機(jī)控制工具的開發(fā)對離散控制系統(tǒng)工程有所要求，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的數(shù)位控制器和物理系統(tǒng)之間的通訊由計(jì)算機(jī)時脈控制。與離散域中的拉普拉斯變換等效的是Z轉(zhuǎn)換。今天，許多控制系統(tǒng)都是計(jì)算機(jī)控制的，它們由數(shù)位和模擬組件組成。

　　因此，在設(shè)計(jì)階段，要么將數(shù)字元件映射到連續(xù)域并在連續(xù)域中進(jìn)行設(shè)計(jì)，要么將模擬元件映射到離散域并在那里進(jìn)行設(shè)計(jì)。這兩種方法中的第一種在實(shí)踐中更為常見，因?yàn)樵S多工業(yè)系統(tǒng)具有許多連續(xù)系統(tǒng)組件，包括機(jī)械、流體、生物和模擬電氣組件，以及一些數(shù)字控制器。

　　類似地，設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)從用紙張與尺的手動設(shè)計(jì)發(fā)展到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，現(xiàn)在又發(fā)展到計(jì)算機(jī)自動化設(shè)計(jì)或CAD，進(jìn)化計(jì)算已經(jīng)使之成為可能。CAD不僅可以用于調(diào)整預(yù)先定義的控制方案，還可以應(yīng)用于控制器結(jié)構(gòu)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(dú)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(jì)劃中干擾的重點(diǎn)擴(kuò)展到框架，并嘗試解決多種類型的意外干擾；特別是適應(yīng)和轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)的行為以響應(yīng)惡意行為者、異常故障模式、不良人為行為等。

　　近年來，基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)(RL)的策略，以不斷與環(huán)境交互來學(xué)習(xí)最優(yōu)控制策略已經(jīng)變得流行起來。

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