[科普中国]-能量成型控制

能量成型控制（Energy-shaping control）也称为能量整型控制，是将控制器及受控体均视为能量转换设备的控制理论。

定义能量成型控的其控制策略是以能量保持的方式进行互连，以达到理想的行为。1

控制器在控制论中，控制器（controller）是一依据传感器信号，来调整发送至致动器的输出信号，用以改变受控体（plant）状况的装置。举例来说，屋内的空调系统可用温度控制器，依据温度计测量的气温，以调整冷气机强度，以达到一个舒适的环境温度。

受控体受控体（plant）是控制论中的名词，是指程序和执行器的结合，一般会用传递函数表示（也常用S域来表示），会描述系统在没有回授的情形下，其输入信号和输出信号之间的关系，通常是依系统的物理特性而决定。像执行器是将执行器的输入信号转换到实际的位移输出，即为受控体的一个例子。若是有回授的系统，受控体的传递函数不会改变，不过系统中会加入控制单元以及回馈回路（可能也会用传递函数表示）。2

能量转换不同形式的能量间通常能透过工具的辅助而彼此转换，例如电池能把化学能转换成电能；水坝能把重力位能转换成动能并最终透过发电机转换成电能。相同的，在氧化反应的例子里，化学能转换成动能和热能(有时包括光能和声能)。钟摆也是一例。钟摆在最高点的动能为零而重力位能为最大值，但是在最低点的动能为最大值而重力位能为最小。假设钟摆机件间没有任何摩擦力，则能量之间的转换是完美的，所以钟摆将永远摆荡下去。1

可逆和不可逆的转换将能量转换成有用的功是热力学的重要课题。在大自然界里，能量的转换可以分成两类：可逆的与不可逆的。可逆的热力学过程不会有能量的损耗。例如，不同位能形式之间的转换是可逆的，例如前文所提到的钟摆运动。而当一个过程中有热产生的时候，一部分的能量将不能完全恢复成可利用的能量，此时便归类不可逆。2

能量转换和宇宙的年龄随着宇宙的演化，越来越多的能量被困在不可逆的状态里（如热或其他无序的能量形式），这就是热寂理论。热寂理论是猜想宇宙最终命运的一种假说。根据热力学第二定律，作为一个独立系统，宇宙的熵会随着时间的流逝而增加，由有序走向无序，当宇宙的熵达到最大值时，宇宙中的其他有效能量已经全数转化为热能，所有物质温度达到热平衡。这种状态称为热寂。这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在。2

控制理论控制理论是工程学与数学的跨领域分支，主要处理在有输入信号的动力系统的行为。系统的外部输入称为“参考值”，系统中的一个或多个变量需随着参考值变化，控制器处理系统的输入，使系统输出得到预期的效果。

控制理论一般的目的是借由控制器的动作让系统稳定，也就是系统维持在设定值，而且不会在设定值附近晃动。

连续系统一般会用微分方程来表示。若微分方程是线性常系数，可以将微分方程取拉普拉斯转换，将其输入和输出之间的关系用传递函数表示。若微分方程为非线性，已找到其解，可以将非线性方程在此解附近进行线性化。若所得的线性化微分方程是常系数的，也可以用拉普拉斯转换得到传递函数。

传递函数也称为系统函数或网络函数，是一个数学表示法，用时间或是空间的频率来表示一个线性常系数系统中，输入和输出之间的关系。1

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学