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自动化（英语：Automation）狭义上指最高程度的机械化和电气化，即机器由依靠人力直接操作，转变为按人给出的既定要求和程序规定进行生产[1]。广义上指原本由人工直接参与的操作，改换为由生产或服务中的对象或过程自发地按预定规律运行的一种转变过程[2]。自动控制是实现自动化的手段，指无人直接参与的情况下，利用外加的设备（控制器），使机器或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动按照预定规律运行[3]。
自动化的好处是可以节省劳动力，并实现能源、材料的节约以及精准度的改善。
概述
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概念
[编辑]20世纪30年代，工业界开始广泛引入反馈控制器，但此时尚无“自动化”的表述。“Automaition”一词最早出现于1947年，由福特汽车的工程经理哈德尔（英语：D. S. Harder）借用已有的两个词：automatic和operation缩合而成，用以描述不需人去搬动就能实现的机器间零件转移，即“自动操作（英语：automatic operation）”[4][5]。其中，“automatic”一词源自希腊语automatos，表示“自己会动（英语：self-acting）”。“Automaition”一词自创造出来后，便被普遍使用[6]。中文的“自动化“是一个合成词，表示由非自动向自动的转变过程。
范例
[编辑]利用空调进行室内温度调节是一个典型的自动化范例。原本需要使用者不断调整风力大小实现对室内温度的调节。自动化后，使用者只需设定好预期温度，空调就能够自行实现对室内温度的调节。尽管由于室内不密封、人员呼吸等因素对室内温度造成干扰，但空调通过温度传感器实现对室内温度的感知，再通过控制器实现当前室温和预期温度的比较后，依据比较结果调整压缩机的运行状态，实现对室内温度的自发调节，将室内温度维持在预期温度[2]。从上面的示例可以看出，自动化的实现需要通过信息获取、信息处理、分析判断、操纵控制等过程协作达成。
历史
[编辑]在控制理论出现之前，由于没有理论进行统一指导，各类控制器的设计基本秉持着“即用即设计”的原则，彼此之间的设计相互独立。饶是如此，许多新发明也在不断推动着自动化前进。随着对控制精度要求的提升，自动控制领域自身的完整理论呼之欲出。1868年，麦克斯韦在论文《论调速器（英语：On Governors）》[7]中应用微分方程为离心式调速器建立了一个数学模型，用以研究反馈系统的稳定性问题，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，形成了以传递函数为基础，研究单输入单输出的线性定常系统的经典控制理论，并在二战期间得到了重大突破与广泛应用。随着1957年太空时代的来临，随着复杂的工业生产过程、航空及航天技术、社会经济系统等领域的进步使自动控制理论得以迅速发展，伴随着数字计算机的广泛应用，主要研究高性能、高精度、高耦合回路的多变量系统的现代控制理论走上历史舞台。
无理论指导阶段
[编辑]有记载的最早的控制器发明于公元前300年，来自埃及的古希腊工程师克特西比乌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。
最早的反馈控制机制被用于搭风车的风帆，1745年埃德蒙·李(Edmund Lee)申请了此项技术的专利。17世纪初中叶，荷兰人科尼利斯·德雷贝尔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。
1788年，瓦特为改良纽科门蒸汽机发明的离心调速装置[8]是第一个在工业领域使用的带有反馈的调节装置，是世界上最早的自动化机器。与此同时，俄罗斯人波尔祖诺夫发明了带有反馈的水面高度控制器，将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。[9]
在闭环控制中，来自控制器的控制动作取决于过程输出。在锅炉类比的情况下，这将包括一个温度传感器以监视建筑物的温度，从而将信号反馈给控制器，以确保其将建筑物保持在恒温器设定的温度下。因此，闭环控制器具有反馈回路，该反馈回路可确保控制器施加控制作用以提供等于“参考输入”或“设定点”的过程输出。因此，闭环控制器也称为反馈控制器[10]。
经典控制理论阶段
[编辑]在提出控制论后，此阶段以机械装置为主，主要使用气动、液压装置，并逐渐为电子管、晶体管等器件构成的模拟电路搭建电子装置所取代。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，一般采用频域的方法描述系统，采用来自贝尔实验室的波德，奈奎斯特和布莱克的方法解决。而俄国与东欧则一般在时域采用微分方程解决问题。
1868年，麦克斯韦在论文《论调速器（英语：On Governors）》[7]中应用微分方程为离心式调速器建立了一个数学模型，研究反馈系统的稳定性问题，提出了控制领域最早的数学理论。
1892年，李雅普诺夫发表了博士论文《论运动稳定性的一般问题（俄语：Общая задача об устойчивости движения）》[11]，提出了李雅普诺夫稳定性理论。
20世纪10年代，PID控制器出现并获得广泛应用。
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。
在自动调节、计算机、通信技术、仿生学以及其他学科互相渗透的基础上，1950年，贝塔朗菲发表了《一般系统论（英语：An outline of general system theory）》[12]，1948年，维纳发表了《控制论：或关于在动物和机器中控制和通信的科学（英语：Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine）》。至此形成了以传递函数为基础，研究单输入单输出的线性定常系统的经典控制理论。这一理论对自动化技术有着深远影响。维纳提出的反馈控制原理，至今仍然是控制理论中的一条重要规律。
现代控制理论阶段
[编辑]随着1957年太空时代的来临，控制设计（尤其是在美国）从古典控制理论的频域技术转向了19世纪后期的微分方程技术域。20世纪60年代，随着复杂的工业生产过程、航空及航天技术、社会经济系统等领域的进步使自动控制理论得以迅速发展，自动化技术水平大大提高。两个显著进展是数字计算机得到广泛应用以及现代控制理论的诞生。现代控制理论主要研究高性能、高精度、高耦合回路的多变量系统。
现代控制论主要包括以状态为基础的状态空间法、贝尔曼的动态规划法和庞特里亚金的最大化原理。
理论基础转变为线性代数。多变量线性系统理论、最优控制理论以及最优估计与系统辨识理论。
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。
到了21世纪，自动化技术进入了计算机自动设计（英文：Computer-Automated Design，CAutoD）的年代。
在1940年代和1950年代，德国数学家Irmgard Flugge-Lotz提出了间断自动控制的理论，该理论已广泛用于磁滞控制系统中，例如导航系统，火力控制系统和电子设备。通过Flugge-Lotz等人，近代人看到了非线性系统的时域设计（1961），导航（1960），最优控制和估计理论（1962），非线性控制理论（1969），数字控制和滤波理论（1974）以及个人计算机（1983）。
智能控制理论
[编辑]核心——控制理论
[编辑]自动化与控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、液压气压技术等都有着十分密切的关系，而其中又以“控制理论”和“计算机技术”对自动化技术的影响最大。
开关控制
[编辑]开关控制是只接受“开/关”两种状态输入并用离散形式的单位阶跃函数来表示输出的控制方法，它会让控制输出在两种状态之间切换，即在某个状态停留一段时间，再变到另一个状态。常见的家用自动调温器即为属于开关控制。开关控制的优点是结构简单方便，但其缺点是控制动作的不连续，若设计不当，容易造成系统震荡。
PID控制
[编辑]过程控制
[编辑]最优控制
[编辑]与其他具体学科知识的关系
[编辑]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。
机械，液压，气动，电气，电子和计算机。
数学与自动化
[编辑]自动化和数学有非常紧密的关系。数学提供了自动化领域里控制理论、系统论、信号处理等分支学科的数学基础。自动化设计的系统通常基于数学模型进行描述、分析和设计，而控制器的建模、分析和优化也需要使用微积分、差分方程、线性代数、概率论等数学工具。数值计算、优化和模拟等数学技术在自动化中大量使用，以帮助工程师优化生产过程、减少成本、提高效率。
计算科学与自动化
[编辑]机械与自动化
[编辑]电气与自动化
[编辑]管理与自动化
[编辑]应用场景
[编辑]（自动化这个概念当前已不局限于工业，拓展到了服务业。下面从工科到社科逐步撰写（历史沿革顺序）。） 早期的自动化主要体现在能够代替人进行调整、操作。工程师现在可以数字控制自动化设备。其结果是迅速扩大了应用范围和人类活动。
工业自动化
[编辑]工厂自动化包括两部分，分别是：设备、生产线等具体硬件的自动化和生产过程、管理过程等系统过程的自动化。
目前，随着自动化控制的逐渐完善，已出现“无人工厂”。[13]
电力系统自动化
[编辑]机器人
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武器自动化
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计算机辅助设计/制造（CAD/CAM）
[编辑]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。[14]
办公自动化
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门禁系统、资讯科技稽核等 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。[14]
实验室自动化
[编辑]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。[14]。
家庭自动化
[编辑]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。[14]
服务自动化
[编辑]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。[14]
管理自动化
[编辑]经济自动化
[编辑]从20世纪60年代初开始，苏联共产党考虑放弃现有的斯大林主义指挥计划，转而开发基于控制论原理的互连的计算机化资源分配系统OGAS。这种发展被视为走向最优规划的基础，而最优规划可以构成基于信息分权和创新的更高度发达的社会主义经济形式的基础。鉴于物料平衡系统，这被视为一个逻辑进展其目标是快速工业化，而苏联在过去几十年里已经实现了这一目标。但到了20世纪70年代初，但在70年代早期，苏联高层抛弃了这份提案，他们认为这样的系统会威胁到党对经济的领导力，进而政府也不再对这个系统抱有兴趣。[15]
影响
[编辑]积极
[编辑]（提高生产力）
工业自动化多以自动设备取代高危险、单调性、高频率的人力行为，如取热铸件、每隔几分钟取料、组装线。 透过自动化的设备导入，协助解决人资调涨、技术断层、品质稳定的状况。自动化为固定模式的概念，在导入前需要准备的工作如下：
- 标准化作业：自动化为一切由计算、规划、输入电脑设定，控制重复作业所构成的功能，将每一项生产步骤统一制度化才能接着由人去规划、计算。
- 风险性评估：对于生产过程中间可能会有的风险，如：金属加工所生铁屑、压铸、成型要夹取未去毛编的铝块‥考验的是规划商的技术与经验，风险评估将大大影响这套产品最后所生成效益，最好让规划自动化设备厂商与机械制造厂商间多评估，以避免生产状况影响自动化运作。
- 效能评估：一般来说，规划商会以人力与时间作为依据，预估可节省之效益，因自动化设备如机械手臂Robot一组高至百万，或门型机械手价格平近但仍不斐，若效益未达，则不建议导入。
简易三要点评断是否适合自动化导入：
- 年产量大。
- 加工时间短。
- 产品形状单纯。
消极
[编辑]（待业人口）
自动化因大幅度替代人工而加剧失业问题，传统自动化机械随着电脑发展逐渐智能化，有可能导致渗透进更下端的产业和更小型的公司，取代更多的职缺，这种取代有可能是一种等比级数的扩张，日经新闻曾研究2030年后日本可能被机器人抢走735万工作机会，而被抢工作的人会涌向其他工作机会，让其他工作的劳工在资方面前更弱势而遭到薪资和福利的不利影响[16]，所以自动化技术有可能加剧贫富差距而成为未可知的巨大问题。
未来趋势
[编辑]自动化技术的总体发展趋势是：更广泛地与各地现代化技术相结合、特别是与计算机技术及控制论结合，从物理活动的自动化向着信息活动的自动化发展，比如利用计算机来自动设计，而不只是辅助设计。
- 机械功能多元化：工商业产品已趋向精致化及多元化，在大环境变化下，多元化、弹性化且具有多种切换功能的包装机种方能适应市场需求。
- 控制智能化：包装机械厂家普遍使用PLC动力负载控制器，虽然PLC弹性很大，但仍未具有电脑（含软件）所拥有的强大功能。未来包装机械必须具备多功能化、调整操作简单等条件，基于电脑的智能型仪器将成为食品包装控制器的新趋势。
- 结构设计标准化、模组化：充分利用原有机型模组化设计，可在短时间内转换新机型。
参考书籍
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- 王台有，江荣杰等编译。1999。自动控制。全威图书有限公司。
- 汪永文编著。2002。自动控制。全华科技图书股份有限公司。
- 张充鑫，赖连康等编著。2003。自动化概论。全华科技图书股份有限公司。
- 廖国清，萧志清，陈曦照等编译。1999。机电整合。全华科技图书股份有限公司。
- Gene F. Franklin, J. D. Powell, and AbbasEmani-Naeini, Feedback Control of DynamicSystems, 4th ed., 2002.
- （英文）IEEE Transactions on Automation Science and Engineering
- （英文）Jobs in Automation, Robotics and Process Control
- （英文）ISA (International Society of Automation)
- （英文）Need for Automation Training as part of the Recruitment Process in Industries
- （英文）Intel's Automation Process and Its Role in Process Development and High Volume Manufacturing
参见
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参考资料
[编辑]- ^ 中国社会科学院. 语言硏究所. 词典编辑室. 现代汉语词典 第7版. 北京. 2016. ISBN 978-7-100-12450-8. OCLC 967310841.
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- ^ 周献中. 自动化导论. 北京: 科学出版社. 2009. ISBN 978-7-03-025179-4. OCLC 466238442.
- ^ Rifkin, Jeremy. The End of Work: The Decline of the Global Labor Force and the Dawn of the Post-Market Era. Putnam Publishing Group. 1995: 66, 75. ISBN 978-0-87477-779-6.
- ^ Bennett, S. A history of control engineering, 1930-1955. Stevenage, Herts., U.K.: P. Peregrinus on behalf of the Institution of Electrical Engineers, London. 1993. ISBN 0-86341-280-7. OCLC 30817754.
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- ^ Bennett, Stuart. A history of control engineering, 1800-1930. London: Peregrinus on behalf of the Institution of Electrical Engineers. 1986, ©1979. ISBN 0-86341-047-2. OCLC 59913962.
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- ^ [聚焦三农]“无人工厂”来了 你准备好了吗. sannong.cntv.cn. 2015-06-01 [2020-07-30].
- ^ 14.0 14.1 14.2 14.3 14.4 江昭皑，〈第六章 ——自动控制原理〉，《农业自动化丛书12机电整合》
- ^ InterNyet: why the Soviet Union did not build a nationwide computer network, by Gerovitch, Slava. December 2008. History and Technology. Vol. 24, No. 4 (Dec 2008), pp. 335-350.
- ^ 报告：2030年人工智能等或夺走日本735万就业岗位-中新网. www.chinanews.com. [2020-12-20].