自动控制

自动化控制（英语：automation control）属于自动化技术的一门，广义来说，通常是指不需借着人力亲自操作机器或机构，而能利用动物以外的其他装置元件或能源，来达成人类所期盼执行的工作。更狭义地说即是以生化、机电、电脑、通讯、水力、蒸汽等科学知识与应用工具，进行设计来代替人力或减轻人力或简化人类工作程序的机构机制，皆可称之。

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。

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。

自动控制有着一段引人入胜的历史。在控制理论出现之前，由于没有控制理论的统一指导，各类控制器基本是秉持着“即用即设计”的原则独立设计出现的。自动控制被许多新的发明推动着不断前进。但是，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。1868年，物理学家詹姆斯·马克士威在论文《论调速器》（On Governors）中用微分方程为离心力控制器建立了一个模型，提出了控制领域最早的数学理论。此后，自动控制系统的理论便不断发展，指导实践，并由在二战期间得到了重大突破与广泛应用。

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设计了通过浮子控制的水钟。公元前250年，比赞兹发明了通过浮子来控制油面高度的油灯。

第一个带有反馈的控制系统来自于水面高度控制。17世纪初中叶，荷兰人科尼利斯·德雷贝尔（英语：Cornelis_Drebbel）发明了第一个带有反馈的温度控制器。1681年，法国人帕潘发明了第一个蒸汽锅炉的压力调节装置。

1769年，瓦特为纽科门蒸汽机（英语：Newcomen atmospheric engine）发明的离心力控制器是第一个在工业领域使用的带有反馈的调节装置。与此同时，俄罗斯人波尔祖诺夫（英语：Ivan Polzunov）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年起直到二战，自动控制系统的理论和实践在美国与西欧、俄国与东欧分别沿着不同的方向发展。在美国与西欧，系统一般都在频域描述，问题都用来自贝尔实验室的波德，奈奎斯特和布莱克（英语：Harold Stephen Black）的方法解决，而俄国与东欧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。

1980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：

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：

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。

控制系统的研究非常需要依赖应用数学的使用，在理论分析过程中，数学扮演了一个相当重要的角色。实际上在自动控制系统在发展过程中，必须先作理论的分析与研究，然后才作最后的设计，如此才能够获得合理的预期及可靠的结果。因此，在学习自动控制系统之前，必须需要具备相当的数学基础，方能获得学习上的突破。

在控制系统的研究中，所需具备的数学基础包括有微分方程式、线性代数、拉普拉斯变换、复变函数、z变换等等。另一方面，由过去的单一输入单一输出（SISO）简单系统，发展至多输入多输出（MIMO）复杂系统，因此，现代控制的发展则需要更精深的数学基础，除了上述的数学外，现代控制理论是建立在矩阵理论、集合理论等等的高等数学基础之上。

在控制系统的分析与设计中，建立模型是首要的步骤。模型可以是一个物理模型，也可以是一个数学模型，或是一个图示模型。

通常一般只有在工程实务系统中才可能使用物理模型，例如，风动实验室中的缩小比率之汽车或飞机模型均属于静态物理模型，而飞行模拟实验室中的六自由度飞行模拟器则属于动态物理模型。至于数学模型或是图示模型则是建立于系统的理论基础上，以方便系统的分析与设计。

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)）。

${\displaystyle G_o(s)=G(s)\cdot <!--\; \cdot \; -->K(s)}$

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

${\displaystyle G_w(s)=\frac{G_o(s)}{1+G_o(s)\cdot <!--\; \cdot \; -->G_m(s)}}$

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

伯德图可使传递函数显而易见。

以下的内容是介绍一些可以实现上面控制要求的控制方法：

自动化控制系统的研究，几乎涵盖所有应用科学知识与技术的结合，领域范围及牵涉的科学知识与应用工具相当广泛，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。

而自动化控制的主要内容，一般可再细分为以下列几类：

生产自动化控制，即是利用自动化的生产设备，一贯作业的生产方式，从事有效率的产品生产，我们称之为工厂自动化控制。例如：

目前，随着自动化控制的逐渐完善，已出现“无人工厂”。

设计自动化控制，即利用电脑软件技术及应用，将所需设计的资料，转成控制程序或生产流程，而且以简单的图或语言，来表示或执行制造过程的自动化控制的运作。

实验室自动化控制，即利用自动化设备与电脑软件技术及应用，或可编程控制器等设备，结合温度、湿度、压力、流量等感测器，将实验室的控制程序或生产流程，及所需实验结果的资料，转成简单的图或语言，来表示或执行实验室的自动化控制作。

检测自动化控制，即利用自动化的检测设备与电脑软件技术及程式应用，结合温度、湿度、压力、流量等感测器设备，能自动地检测样品，并将检测的物理量的资料，转成简单的图或语言，来表示检测结果。

办公室自动化控制，即利用软件程式技术及应用，将办公室的文书资料或文书档案，做有效率的管理，并结合传真机、电话机、影印机、电脑等迅速地处理文书资料或文书档案，以提供承办人或决策主管参考。

家庭自动化控制，即利用自动化的设备与电脑软件技术及程式应用，借由共同的通讯协定，结合有线网络、无线网络系统将家庭用设备，如电视机、电锅、冷气机、电冰箱、洗衣机、瓦斯开关、与警报系统、保全系统、远端监视系统结合，让用户可以透过互联网在远端监控住家的安全，是否有人侵入，是否有任何异常状况，可以在远端控制电器的操作以提高家庭舒适度与居家安全。

服务自动化控制，即利用自动化的设备与电脑软件技术及程式应用，结合各式各样的自动化设备或感测器，监测、纪录、转接、通知、执行运作等，以供顾客或使用者，能快速处理相关作业或快速处理所遭遇的问题。诸如银行转账自动化服务、旅馆订房自动化服务、飞机、客运、火车订票自动化服务等。