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自動化（英語：Automation）狹義上指最高程度的機械化和電氣化，即機器由依靠人力直接操作，轉變為按人給出的既定要求和程序規定進行生產[1]。廣義上指原本由人工直接參與的操作，改換為由生產或服務中的對象或過程自發地按預定規律運行的一種轉變過程[2]。自動控制是實現自動化的手段，指無人直接參與的情況下，利用外加的設備（控制器），使機器或生產過程（被控對象）的某個工作狀態或參數（被控量）自動按照預定規律運行[3]。
自動化的好處是可以節省勞動力，並實現能源、材料的節約以及精準度的改善。
概述
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概念
[編輯]20世紀30年代，工業界開始廣泛引入反饋控制器，但此時尚無「自動化」的表述。「Automaition」一詞最早出現於1947年，由福特汽車的工程經理哈德爾（英語：D. S. Harder）借用已有的兩個詞：automatic和operation縮合而成，用以描述不需人去搬動就能實現的機器間零件轉移，即「自動操作（英語：automatic operation）」[4][5]。其中，「automatic」一詞源自希臘語automatos，表示「自己會動（英語：self-acting）」。「Automaition」一詞自創造出來後，便被普遍使用[6]。中文的「自動化「是一個合成詞，表示由非自動向自動的轉變過程。
範例
[編輯]利用空調進行室內溫度調節是一個典型的自動化範例。原本需要使用者不斷調整風力大小實現對室內溫度的調節。自動化後，使用者只需設定好預期溫度，空調就能夠自行實現對室內溫度的調節。儘管由於室內不密封、人員呼吸等因素對室內溫度造成干擾，但空調通過溫度傳感器實現對室內溫度的感知，再通過控制器實現當前室溫和預期溫度的比較後，依據比較結果調整壓縮機的運行狀態，實現對室內溫度的自發調節，將室內溫度維持在預期溫度[2]。從上面的示例可以看出，自動化的實現需要通過信息獲取、信息處理、分析判斷、操縱控制等過程協作達成。
歷史
[編輯]在控制理論出現之前，由於沒有理論進行統一指導，各類控制器的設計基本秉持著「即用即設計」的原則，彼此之間的設計相互獨立。饒是如此，許多新發明也在不斷推動著自動化前進。隨著對控制精度要求的提升，自動控制領域自身的完整理論呼之欲出。1868年，麥克斯韋在論文《論調速器（英語：On Governors）》[7]中應用微分方程為離心式調速器建立了一個數學模型，用以研究反饋系統的穩定性問題，提出了控制領域最早的數學理論。此後，自動控制系統的理論便不斷發展，形成了以傳遞函數為基礎，研究單輸入單輸出的線性定常系統的經典控制理論，並在二戰期間得到了重大突破與廣泛應用。隨著1957年太空時代的來臨，隨著複雜的工業生產過程、航空及航天技術、社會經濟系統等領域的進步使自動控制理論得以迅速發展，伴隨著數字計算機的廣泛應用，主要研究高性能、高精度、高耦合迴路的多變量系統的現代控制理論走上歷史舞台。
無理論指導階段
[編輯]有記載的最早的控制器發明於公元前300年，來自埃及的古希臘工程師克特西比烏斯設計了通過浮子控制的水鐘。公元前250年，比贊茲發明了通過浮子來控制油面高度的油燈。
最早的反饋控制機制被用於搭風車的風帆，1745年埃德蒙·李(Edmund Lee)申請了此項技術的專利。17世紀初中葉，荷蘭人科尼利斯·德雷貝爾發明了第一個帶有反饋的溫度控制器。1681年，法國人帕潘發明了第一個蒸汽鍋爐的壓力調節裝置。
1788年，瓦特為改良紐科門蒸汽機發明的離心調速裝置[8]是第一個在工業領域使用的帶有反饋的調節裝置，是世界上最早的自動化機器。與此同時，俄羅斯人波爾祖諾夫發明了帶有反饋的水面高度控制器，將水面高度的信息傳遞到浮子上，然後再反作用於蒸汽閥門上。[9]
在閉環控制中，來自控制器的控制動作取決於過程輸出。在鍋爐類比的情況下，這將包括一個溫度傳感器以監視建築物的溫度，從而將信號反饋給控制器，以確保其將建築物保持在恆溫器設定的溫度下。因此，閉環控制器具有反饋迴路，該反饋迴路可確保控制器施加控制作用以提供等於「參考輸入」或「設定點」的過程輸出。因此，閉環控制器也稱為反饋控制器[10]。
經典控制理論階段
[編輯]在提出控制論後，此階段以機械裝置為主，主要使用氣動、液壓裝置，並逐漸為電子管、電晶體等器件構成的模擬電路搭建電子裝置所取代。從1868年起直到二戰，自動控制系統的理論和實踐在美國與西歐、俄國與東歐分別沿著不同的方向發展。在美國與西歐，一般採用頻域的方法描述系統，採用來自貝爾實驗室的波德，奈奎斯特和布萊克的方法解決。而俄國與東歐則一般在時域採用微分方程解決問題。
1868年，麥克斯韋在論文《論調速器（英語：On Governors）》[7]中應用微分方程為離心式調速器建立了一個數學模型，研究反饋系統的穩定性問題，提出了控制領域最早的數學理論。
1892年，李雅普諾夫發表了博士論文《論運動穩定性的一般問題（俄語：Общая задача об устойчивости движения）》[11]，提出了李雅普諾夫穩定性理論。
20世紀10年代，PID控制器出現並獲得廣泛應用。
自動控制技術的重大突破發生在二戰時期，因為製造武器裝備，必須處理複雜的系統。雷達，無人駕駛和自動瞄準系統只是幾個帶有反饋系統的例子。對新的控制系統的需求導致了新的數學方法的改善，從而控制技術有了自己的一套準則。
在自動調節、計算機、通信技術、仿生學以及其他學科互相滲透的基礎上，1950年，貝塔朗菲發表了《一般系統論（英語：An outline of general system theory）》[12]，1948年，維納發表了《控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學（英語：Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine）》。至此形成了以傳遞函數為基礎，研究單輸入單輸出的線性定常系統的經典控制理論。這一理論對自動化技術有著深遠影響。維納提出的反饋控制原理，至今仍然是控制理論中的一條重要規律。
現代控制理論階段
[編輯]隨著1957年太空時代的來臨，控制設計（尤其是在美國）從古典控制理論的頻域技術轉向了19世紀後期的微分方程技術域。20世紀60年代，隨著複雜的工業生產過程、航空及航天技術、社會經濟系統等領域的進步使自動控制理論得以迅速發展，自動化技術水平大大提高。兩個顯著進展是數字計算機得到廣泛應用以及現代控制理論的誕生。現代控制理論主要研究高性能、高精度、高耦合迴路的多變量系統。
現代控制論主要包括以狀態為基礎的狀態空間法、貝爾曼的動態規劃法和龐特里亞金的最大化原理。
理論基礎轉變為線性代數。多變量線性系統理論、最優控制理論以及最優估計與系統辨識理論。
1980年代，由於電子技術的出現，控制技術有了新的動因。工程師們可以更快更好地進行計算，高度複雜和精準的控制系統成為可能。
到了21世紀，自動化技術進入了計算機自動設計（英文：Computer-Automated Design，CAutoD）的年代。
在1940年代和1950年代，德國數學家Irmgard Flugge-Lotz提出了間斷自動控制的理論，該理論已廣泛用於磁滯控制系統中，例如導航系統，火力控制系統和電子設備。通過Flugge-Lotz等人，近代人看到了非線性系統的時域設計（1961），導航（1960），最優控制和估計理論（1962），非線性控制理論（1969），數字控制和濾波理論（1974）以及個人計算機（1983）。
智能控制理論
[編輯]核心——控制理論
[編輯]自動化與控制論、資訊理論、系統工程、計算機技術、電子學、液壓氣壓技術等都有著十分密切的關係，而其中又以「控制理論」和「計算機技術」對自動化技術的影響最大。
開關控制
[編輯]開關控制是只接受「開/關」兩種狀態輸入並用離散形式的單位階躍函數來表示輸出的控制方法，它會讓控制輸出在兩種狀態之間切換，即在某個狀態停留一段時間，再變到另一個狀態。常見的家用自動調溫器即為屬於開關控制。開關控制的優點是結構簡單方便，但其缺點是控制動作的不連續，若設計不當，容易造成系統震盪。
PID控制
[編輯]過程控制
[編輯]最優控制
[編輯]與其他具體學科知識的關係
[編輯]自動化控制系統的研究，幾乎涵蓋所有應用科學知識與技術的結合，領域範圍及牽涉的科學知識與應用工具相當廣泛，作為交叉學科，自動控制與其他很多學科有關聯，尤其是數學和信息學，在製造，醫藥，交通，機器人，以及經濟學，社會學中的應用也都非常廣泛。飛機和船舶中的自動駕駛，汽車中的防抱死和速度控制器也都是典型的應用。
機械，液壓，氣動，電氣，電子和計算機。
數學與自動化
[編輯]自動化和數學有非常緊密的關係。數學提供了自動化領域裡控制理論、系統論、信號處理等分支學科的數學基礎。自動化設計的系統通常基於數學模型進行描述、分析和設計，而控制器的建模、分析和優化也需要使用微積分、差分方程、線性代數、概率論等數學工具。數值計算、優化和模擬等數學技術在自動化中大量使用，以幫助工程師優化生產過程、減少成本、提高效率。
計算科學與自動化
[編輯]機械與自動化
[編輯]電氣與自動化
[編輯]管理與自動化
[編輯]應用場景
[編輯]（自動化這個概念當前已不局限於工業，拓展到了服務業。下面從工科到社科逐步撰寫（歷史沿革順序）。） 早期的自動化主要體現在能夠代替人進行調整、操作。工程師現在可以數字控制自動化設備。其結果是迅速擴大了應用範圍和人類活動。
工業自動化
[編輯]工廠自動化包括兩部分，分別是：設備、生產線等具體硬體的自動化和生產過程、管理過程等系統過程的自動化。
目前，隨著自動化控制的逐漸完善，已出現「無人工廠」。[13]
電力系統自動化
[編輯]機器人
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武器自動化
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計算機輔助設計/製造（CAD/CAM）
[編輯]設計自動化控制，即利用電腦軟體技術及應用，將所需設計的資料，轉成控制程序或生產流程，而且以簡單的圖或語言，來表示或執行製造過程的自動化控制的運作。[14]
辦公自動化
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門禁系統、資訊科技稽核等 辦公室自動化控制，即利用軟體程式技術及應用，將辦公室的文書資料或文書檔案，做有效率的管理，並結合傳真機、電話機、影印機、電腦等迅速地處理文書資料或文書檔案，以提供承辦人或決策主管參考。[14]
實驗室自動化
[編輯]實驗室自動化控制，即利用自動化設備與電腦軟體技術及應用，或可程式控制器等設備，結合溫度、濕度、壓力、流量等感測器，將實驗室的控制程序或生產流程，及所需實驗結果的資料，轉成簡單的圖或語言，來表示或執行實驗室的自動化控制作。[14]。
家庭自動化
[編輯]家庭自動化控制，即利用自動化的設備與電腦軟體技術及程式應用，藉由共同的通訊協定，結合有線網路、無線網路系統將家庭用設備，如電視機、電鍋、冷氣機、電冰箱、洗衣機、瓦斯開關、與警報系統、保全系統、遠端監視系統結合，讓用戶可以透過網際網路在遠端監控住家的安全，是否有人侵入，是否有任何異常狀況，可以在遠端控制電器的操作以提高家庭舒適度與居家安全。[14]
服務自動化
[編輯]服務自動化控制，即利用自動化的設備與電腦軟體技術及程式應用，結合各式各樣的自動化設備或感測器，監測、紀錄、轉接、通知、執行運作等，以供顧客或使用者，能快速處理相關作業或快速處理所遭遇的問題。諸如銀行轉帳自動化服務、旅館訂房自動化服務、飛機、客運、火車訂票自動化服務等。[14]
管理自動化
[編輯]經濟自動化
[編輯]從20世紀60年代初開始，蘇聯共產黨考慮放棄現有的史達林主義指揮計劃，轉而開發基於控制論原理的互連的計算機化資源分配系統OGAS。這種發展被視為走向最優規劃的基礎，而最優規劃可以構成基於信息分權和創新的更高度發達的社會主義經濟形式的基礎。鑑於物料平衡系統，這被視為一個邏輯進展其目標是快速工業化，而蘇聯在過去幾十年裡已經實現了這一目標。但到了20世紀70年代初，但在70年代早期，蘇聯高層拋棄了這份提案，他們認為這樣的系統會威脅到黨對經濟的領導力，進而政府也不再對這個系統抱有興趣。[15]
影響
[編輯]積極
[編輯]（提高生產力）
工業自動化多以自動設備取代高危險、單調性、高頻率的人力行為，如取熱鑄件、每隔幾分鐘取料、組裝線。 透過自動化的設備導入，協助解決人資調漲、技術斷層、品質穩定的狀況。自動化為固定模式的概念，在導入前需要準備的工作如下：
- 標準化作業：自動化為一切由計算、規劃、輸入電腦設定，控制重複作業所構成的功能，將每一項生產步驟統一制度化才能接著由人去規劃、計算。
- 風險性評估：對於生產過程中間可能會有的風險，如：金屬加工所生鐵屑、壓鑄、成型要夾取未去毛編的鋁塊‥考驗的是規劃商的技術與經驗，風險評估將大大影響這套產品最後所生成效益，最好讓規劃自動化設備廠商與機械製造廠商間多評估，以避免生產狀況影響自動化運作。
- 效能評估：一般來說，規劃商會以人力與時間作為依據，預估可節省之效益，因自動化設備如機械手臂Robot一組高至百萬，或門型機械手價格平近但仍不斐，若效益未達，則不建議導入。
簡易三要點評斷是否適合自動化導入：
- 年產量大。
- 加工時間短。
- 產品形狀單純。
消極
[編輯]（待業人口）
自動化因大幅度替代人工而加劇失業問題，傳統自動化機械隨著電腦發展逐漸智能化，有可能導致滲透進更下端的產業和更小型的公司，取代更多的職缺，這種取代有可能是一種等比級數的擴張，日經新聞曾研究2030年後日本可能被機器人搶走735萬工作機會，而被搶工作的人會湧向其他工作機會，讓其他工作的勞工在資方面前更弱勢而遭到薪資和福利的不利影響[16]，所以自動化技術有可能加劇貧富差距而成為未可知的巨大問題。
未來趨勢
[編輯]自動化技術的總體發展趨勢是：更廣泛地與各地現代化技術相結合、特別是與計算機技術及控制論結合，從物理活動的自動化向著信息活動的自動化發展，比如利用計算機來自動設計，而不只是輔助設計。
- 機械功能多元化：工商業產品已趨向精緻化及多元化，在大環境變化下，多元化、彈性化且具有多種切換功能的包裝機種方能適應市場需求。
- 控制智能化：包裝機械廠家普遍使用PLC動力負載控制器，雖然PLC彈性很大，但仍未具有電腦（含軟體）所擁有的強大功能。未來包裝機械必須具備多功能化、調整操作簡單等條件，基於電腦的智能型儀器將成為食品包裝控制器的新趨勢。
- 結構設計標準化、模組化：充分利用原有機型模組化設計，可在短時間內轉換新機型。
參考書籍
[編輯]
- 王台有，江榮傑等編譯。1999。自動控制。全威圖書有限公司。
- 汪永文編著。2002。自動控制。全華科技圖書股份有限公司。
- 張充鑫，賴連康等編著。2003。自動化概論。全華科技圖書股份有限公司。
- 廖國清，蕭志清，陳曦照等編譯。1999。機電整合。全華科技圖書股份有限公司。
- 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
參見
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參考資料
[編輯]- ^ 中國社會科學院. 語言硏究所. 詞典編輯室. 现代汉语词典 第7版. 北京. 2016. ISBN 978-7-100-12450-8. OCLC 967310841.
- ^ 2.0 2.1 趙曜. 自动化概论. 北京: 機械工業出版社. 2009. ISBN 978-7-111-26550-4. OCLC 489360077.
- ^ 胡壽松. 自动控制原理 7. 北京: 科學出版社. 2019: 1. ISBN 978-7-03-057291-2. OCLC 1265970833.
- ^ 周獻中. 自动化导论. 北京: 科學出版社. 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.
- ^ 鄭, 延慧. 中国科普佳作精选·工业革命的主角 第一版. 長沙市: 湖南教育出版社. 1999. ISBN 7-5355-2932-1. OCLC 703196724.
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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].
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- ^ 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].