系统建模、仿真与控制工程的重要性

飞机制造商已经使用美国宇航局的风洞来测试新的飞机设计。

将控制系统工程引入公众意识已经打开了好几扇门，使以前认为不可能的事情成为可能。控制系统工程领域的改进使得机器能够更复杂、更精确地执行任务，并且误差很小。

控制工程史

虽然控制工程是一个相对较新的领域，但自动控制的使用可以追溯到2000多年前，在古代的水钟中就可以观察到。自动控制重新出现在17世纪的欧洲，在那里开环控制被用于跳舞的小人物，使他们反复重复同样的任务。

下一个突破是闭环反馈控制的实现和优化控制的新数学技术。在闭环系统中，系统的输出值调节输入到系统中，使实现更鲁棒的控制成为可能。

这些在控制上的突破使得太空旅行成为可能，使得航天器的姿态可以改变，以高精度和高效率地对准其所需的轨道。传统的控制方法，如PID控制，自发现以来改变了世界。使用微分方程来模拟物理现象允许任何过程被控制，只要它用数学模型表示行为。

系统建模、仿真与控制工程的最新进展

我们处在历史上的一个技术转折点，在这个转折点上，作为人类，我们开始模拟计算机过程，以模拟人脑的工作方式。计算机现在能够逐步地从以前的场景迭代中学习并改进其响应。

狭义人工智能和计算机视觉的出现将对机器人控制产生重大影响。控制主要是基于选择正确的控制输入，使系统稳定使用一个衍生的数学模型或传递函数。

虽然从使用人工智能来确定所需的控制还有很长的路要走，人工智能将被证明在理解模型中使用的各种未知参数方面非常有用。

在制造产品时，测试和实验是设计阶段不可或缺的一部分。这是通过创建不同的实验模型来测试产品设计来实现的。这方面的一个例子是在风洞中测试特定飞机设计的空气动力学特性。

为了使设计得到批准，工程师必须对不同的试验进行建模，以证明设计在正常至极端条件下的有效性和安全性。在大型设计项目中，如航天飞机和桥梁的设计，由于未预料到的问题可能是致命的，因此几乎没有出错的余地。

为了避免故障，剧烈的测试成为设计过程中的一个重要部分。由于这位工程师试图模拟实验来模拟不同的可能场景，因此每个场景都需要考虑在内。

当试图理解极端条件下设计的性能时，物理实验是不够的。这是通过使用基于控制物理系统的计算机模拟来解决的。

计算机仿真学科包括设计实际或理论物理系统的模型，在数字计算机上执行模型，并分析执行输出（Fishwick，2015）。在进行计算机模拟之前，先建立一个设计模型，然后根据测试结果输入参数。

计算机模拟很重要，因为错误很容易识别，因为计算机运行每一个可能的场景，并模拟产品将受到的不同条件。

在结果分析过程中，缺陷得到纠正。如果设计者之前忽略了某个条件，则可以设置控制系统，以帮助设计适应被忽略的条件。这使得在设计过程中运行计算机模拟非常有用。设计过程的最新进展可以在生成性建模中看到。这涉及到使用人工智能来根据其所需的目的来确定设计的最佳几何结构。

系统模型和仿真有助于将测试设计推到其极限，而成本很少甚至没有。在桥梁的设计过程中，需要考虑不同的结构，并且必须对这些结构进行测试，以确定最有效和最具成本效益的设计。

在极端条件下测试设计在现实世界中可能是困难的或不可能的。例如，在龙卷风或飓风等极端条件下测试桥梁设计。利用计算机模拟，任何可能的情况都可以在模型中复制，或者在受控环境（如风洞）中进行实验。计算机模拟可以帮助以更快的时间尺度进行测试和实验。有些设计需要使用寿命，而长时间测试材料性能的计算机模拟要容易得多。

计算机模拟已被证明在几个领域更具成本效益。设计项目主要基于预算，所以任何降低成本的选择通常都会被接受。

计算机模拟的使用使我们有能力深入了解可能在一开始并不明显的问题。它还允许我们针对这些问题，构建更适合功能的结构或产品。除此之外，我们还提高了财政储蓄。模拟的使用使得创新能够以更快的速度发生，因为在设计过程的早期可以忽略失败。