系統(tǒng)建模、仿真與控制工程的重要性
飛機(jī)制造商已經(jīng)使用美國(guó)宇航局的風(fēng)洞來測(cè)試新的飛機(jī)設(shè)計(jì)。
將控制系統(tǒng)工程引入公眾意識(shí)已經(jīng)打開了好幾扇門，使以前認(rèn)為不可能的事情成為可能。控制系統(tǒng)工程領(lǐng)域的改進(jìn)使得機(jī)器能夠更復(fù)雜、更精確地執(zhí)行任務(wù)，并且誤差很小。
控制工程史
雖然控制工程是一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域，但自動(dòng)控制的使用可以追溯到2000多年前，在古代的水鐘中就可以觀察到。自動(dòng)控制重新出現(xiàn)在17世紀(jì)的歐洲，在那里開環(huán)控制被用于跳舞的小人物，使他們反復(fù)重復(fù)同樣的任務(wù)。
下一個(gè)突破是閉環(huán)反饋控制的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化控制的新數(shù)學(xué)技術(shù)。在閉環(huán)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出值調(diào)節(jié)輸入到系統(tǒng)中，使實(shí)現(xiàn)更魯棒的控制成為可能。
這些在控制上的突破使得太空旅行成為可能，使得航天器的姿態(tài)可以改變，以高精度和高效率地對(duì)準(zhǔn)其所需的軌道。傳統(tǒng)的控制方法，如PID控制，自發(fā)現(xiàn)以來改變了世界。使用微分方程來模擬物理現(xiàn)象允許任何過程被控制，只要它用數(shù)學(xué)模型表示行為。
系統(tǒng)建模、仿真與控制工程的最新進(jìn)展
我們處在歷史上的一個(gè)技術(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，作為人類，我們開始模擬計(jì)算機(jī)過程，以模擬人腦的工作方式。計(jì)算機(jī)現(xiàn)在能夠逐步地從以前的場(chǎng)景迭代中學(xué)習(xí)并改進(jìn)其響應(yīng)。
狹義人工智能和計(jì)算機(jī)視覺的出現(xiàn)將對(duì)機(jī)器人控制產(chǎn)生重大影響。控制主要是基于選擇正確的控制輸入，使系統(tǒng)穩(wěn)定使用一個(gè)衍生的數(shù)學(xué)模型或傳遞函數(shù)。
雖然從使用人工智能來確定所需的控制還有很長(zhǎng)的路要走，人工智能將被證明在理解模型中使用的各種未知參數(shù)方面非常有用。
在制造產(chǎn)品時(shí)，測(cè)試和實(shí)驗(yàn)是設(shè)計(jì)階段不可或缺的一部分。這是通過創(chuàng)建不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠頊y(cè)試產(chǎn)品設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。這方面的一個(gè)例子是在風(fēng)洞中測(cè)試特定飛機(jī)設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)特性。
為了使設(shè)計(jì)得到批準(zhǔn)，工程師必須對(duì)不同的試驗(yàn)進(jìn)行建模，以證明設(shè)計(jì)在正常至極端條件下的有效性和安全性。在大型設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，如航天飛機(jī)和橋梁的設(shè)計(jì)，由于未預(yù)料到的問題可能是致命的，因此幾乎沒有出錯(cuò)的余地。
為了避免故障，劇烈的測(cè)試成為設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要部分。由于這位工程師試圖模擬實(shí)驗(yàn)來模擬不同的可能場(chǎng)景，因此每個(gè)場(chǎng)景都需要考慮在內(nèi)。
當(dāng)試圖理解極端條件下設(shè)計(jì)的性能時(shí)，物理實(shí)驗(yàn)是不夠的。這是通過使用基于控制物理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬來解決的。
計(jì)算機(jī)仿真學(xué)科包括設(shè)計(jì)實(shí)際或理論物理系統(tǒng)的模型，在數(shù)字計(jì)算機(jī)上執(zhí)行模型，并分析執(zhí)行輸出（Fishwick，2015）。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬之前，先建立一個(gè)設(shè)計(jì)模型，然后根據(jù)測(cè)試結(jié)果輸入?yún)?shù)。
計(jì)算機(jī)模擬很重要，因?yàn)殄e(cuò)誤很容易識(shí)別，因?yàn)橛?jì)算機(jī)運(yùn)行每一個(gè)可能的場(chǎng)景，并模擬產(chǎn)品將受到的不同條件。
在結(jié)果分析過程中，缺陷得到糾正。如果設(shè)計(jì)者之前忽略了某個(gè)條件，則可以設(shè)置控制系統(tǒng)，以幫助設(shè)計(jì)適應(yīng)被忽略的條件。這使得在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)行計(jì)算機(jī)模擬非常有用。設(shè)計(jì)過程的最新進(jìn)展可以在生成性建模中看到。這涉及到使用人工智能來根據(jù)其所需的目的來確定設(shè)計(jì)的最佳幾何結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)模型和仿真有助于將測(cè)試設(shè)計(jì)推到其極限，而成本很少甚至沒有。在橋梁的設(shè)計(jì)過程中，需要考慮不同的結(jié)構(gòu)，并且必須對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，以確定最有效和最具成本效益的設(shè)計(jì)。
在極端條件下測(cè)試設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)世界中可能是困難的或不可能的。例如，在龍卷風(fēng)或颶風(fēng)等極端條件下測(cè)試橋梁設(shè)計(jì)。利用計(jì)算機(jī)模擬，任何可能的情況都可以在模型中復(fù)制，或者在受控環(huán)境（如風(fēng)洞）中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)模擬可以幫助以更快的時(shí)間尺度進(jìn)行測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。有些設(shè)計(jì)需要使用壽命，而長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試材料性能的計(jì)算機(jī)模擬要容易得多。
計(jì)算機(jī)模擬已被證明在幾個(gè)領(lǐng)域更具成本效益。設(shè)計(jì)項(xiàng)目主要基于預(yù)算，所以任何降低成本的選擇通常都會(huì)被接受。
計(jì)算機(jī)模擬的使用使我們有能力深入了解可能在一開始并不明顯的問題。它還允許我們針對(duì)這些問題，構(gòu)建更適合功能的結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品。除此之外，我們還提高了財(cái)政儲(chǔ)蓄。模擬的使用使得創(chuàng)新能夠以更快的速度發(fā)生，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過程的早期可以忽略失敗。
