自動化

自動化技術是一門綜合性技術，它和控制論、資訊理論、系統工程、計算機技術、電子學、液壓及氣壓技術、自動控制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。一些過程已經被完全自動化。廣義來說，通常是指不需藉助人力親自操作機器或機構，而能利用動物以外的其他裝置元件或能源，來達成人類所期盼執行的工作。更狹義地說即是以生化、機電、電腦、通訊、水力、蒸汽等科學知識與應用工具，進行設計來代替人力或減輕人力或簡化人類工作程式的機構機制，皆可稱之。自動化是相對人工概念而言的。指的是在沒人參與的情況下，利用控制裝置使被控物件或過程自動地按預定規律執行。自動控制技術的研究有利於將人類從複雜、危險、繁瑣的勞動環境中解放出來並大大提高控制效率。自動化的最大好處是可以節省勞動力，同時，它也可用於節約能源和材料，並改善質量，準確度和精度。室內溫度的調節是一個簡明易懂的例子。目的是把室內溫度保持在一個定值θ，儘管開窗等因素使得室內熱量散發出室外。為了達到這個目的，加熱必須被適當的影響。透過閥門的調節，溫度就會保持恆定。除此之外，在人們有感覺之前，暖器熱水的溫度也會受外界溫度的干擾。自動化技術已被透過各種方式通常在組合來實現的，包括機械，液壓，氣動，電氣，電子和計算機。複雜系統，例如現代化工廠，飛機和船隻，通常使用所有這些組合的技術。自動化涵蓋各種裝置與控制系統的使用，如機械、工業過程、鍋爐、電話網路開關、船舶與飛機的轉向與穩定等等。在最簡單的自動控制迴路中，控制器將過程的測量值與設定好的期望值進行比較，並處理產生的誤差訊號以改變過程的某些輸入，從而使過程在受到干擾時也能維持在設定點。這種閉環控制是負反饋在系統中的應用。控制論的數學基礎始於18世紀，並在20世紀迅猛發展。直到1947年福特汽車建立自動化部，“自動化”一詞才開始廣為流傳。正是這一時期，該行業迅速採用了1930年代發明的反饋控制器。世界銀行《2019年世界發展報告》顯示，有證據表明，技術類新產業創造的正面影響已經勝過了工人被自動化取代帶來的負面影響。歷史.自動化技術有著一段引人入勝的歷史。在控制理論出現之前，由於沒有控制理論的統一指導，各類控制器基本是秉持著“即用即設計”的原則獨立設計出現的。自動控制被許多新的發明推動著不斷前進。但是，如果想要提高控制的精準性，就必須發展出自動控制領域一套完整的理論。1868年，物理學家詹姆斯·馬克士威在論文《論調速器》中用微分方程為離心力控制器建立了一個模型，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，指導實踐，並由在二戰期間得到了重大突破與廣泛應用。早期歷史.托勒密王國的克特西比烏斯於約公元前270年記錄了一種用於水鐘的浮子調節器，其原理與現代抽水馬桶中的浮子水閥相同。這是有記載最早的反饋控制機制。公元前250年，比贊茲發明了透過浮子來控制油-{面}-高度的油燈。14世紀機械鐘的出現使水鍾及其浮子反饋系統變得過時。波斯的巴努·穆薩兄弟在《奇器之書》中描述了一些可以實現自動控制的機器。巴努·穆薩兄弟發明了用於液體的兩步液位控制，是一種不聯絡的變結構控制。他們還描述了一種反饋控制器。在工業革命之前，反饋控制系統是透過試錯與工程直覺設計出來的，因此更像一門藝術而非科學。直到19世紀中葉，反饋控制系統的穩定性猜得到數學——自動控制理論的正式語言——進行分析。17世紀，克里斯蒂安·惠更斯發明了離心式調速器，最初是為了調節石磨磨盤的間隙。西歐的工業革命.發動機，或稱自驅動機的發明使得磨坊、鍋爐及蒸汽機對自動控制系統產生了新要求。1624年，荷蘭人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。最早的反饋控制機制被用於搭風車的風帆，它在1745年已經被埃德蒙·李(Edmund Lee)申請了專利。同樣是在1745年，雅克·德·沃康松發明了第一臺自動織機。1800年前後，雅克·德·沃康松發明了雅卡爾織布機。1771年，理查·阿克萊特發明了第一臺全自動水力紡紗機。1785年，奧利弗·埃文斯建立了一座自動麵粉廠，使其成為第一個完全自動化的工業流程。1784年，英國Bunce使用離心式調速器作為蒸汽起重機模型的一部分。1788年，瓦特為改良紐科門蒸汽機發明的離心調速裝置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，俄羅斯人發明了帶有反饋的水面高度控制器，也屬世界首創。水面高度的資訊傳遞到浮子上，然後再反作用於蒸汽閥門上。調速器實際上不能一直保持恆定的轉速，如果負載變化，發動機會變換到新的恆定速度。調速器只能處理較小的變化，如由鍋爐的熱負載波動引發的變化。另外，速度一旦變化，就有可能發生震盪。因此，配備此種調速器的發動機不適合棉紡等需要恆定速度的操作。對蒸汽機上氣閥關閉時間的改進之類最佳化，使得蒸汽機在19世紀末之前逐漸適應了大多數工業用途。蒸汽機的進步遠遠領先於熱力學和控制論的發展，因此調速器很少受到關注，直到麥克斯韋於1868年發表的論文，為近現代控制論奠定了理論基礎。控制理論誕生後.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，系統一般都在頻域描述，問題都用來自貝爾實驗室的波德，奈奎斯特和布萊克的方法解決，而俄國與東歐的數學家和工程師們一般在時域用微分方程解決問題。繼電器邏輯隨著工業電氣化誕生，從1900年前後到1920年代快速演進。中央供電站也在快速發展，新的高壓鍋爐、蒸汽輪機和變電站對儀器與控制水平提出了更高要求。中央控制室在1920年代逐漸普及開來，但直到30年代初，大多數過程控制還由各種開關完成。操作員通常負責監測記錄儀繪製的儀器資料圖表，進行修正時要開關閥門或開關。控制室使用彩色編碼燈向工廠工人傳送訊號，以手動作出改變。電子放大器要傳遞清晰的訊號，需要更高信噪比，這在1920年代透過負反饋去噪得到解決。這與電話領域其他經驗及理論，對控制論發展做出了貢獻。1940到50年代，德國數學家Irmgard Flügge-Lotz發展了不連續自動控制理論，其在二戰中被用於火控系統與飛行棋導航系統。1930年代，開始引入控制器，能對偏離設定點的情況透過計算進行調整，而不再需要按鈕和開關。控制器使製造業生產力進一步提高，抵消了工廠電氣化下降的影響。1920年代，工廠生產力因電氣化而大大增加，美國製造業生產力增量從10年代的5.2%/年下降到20、30年代的2.76%/年。Alexander Field指出，1929到1933年間，非醫療儀器的支出大幅增加，之後保持強勁。一二戰之間，大眾傳播和訊號處理領域取得了重大進展。自動控制的其他方面包括微分方程求解、穩定性理論和一般系統理論。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。20世紀40年代，透過美國數學家維納等人的努力，在自動調節、計算機、通訊技術、仿生學以及其他學科互相滲透的基礎上，產生了控制論。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。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。1958年開始，出現了各種基於固態數位電路模組的硬接可程式設計邏輯控制器系統，以取代用於過程控制和自動化的工業控制系統中的電動機械繼電器邏輯。1959年，德士古的Arthur Refinery港出現了第一個使用數位控制的化工廠。隨著計算機硬體價格下降，工廠向數字控制的轉變在1970年代迅速進行。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的年代。重要應用.自動電話交換臺與撥號電話一同問世於1892年。到1929年，貝爾系統的31.9%都是自動的。:158自動電話交換最初用的是真空管放大器和電動機械開關，需要消耗大量電力。通話量增長得太快，促使貝爾實驗室開始對電晶體的研究。電話交換繼電器的執行邏輯啟發了數字計算機的研發。1905年，出現了第一臺商業上成功的玻璃瓶吹制機。需要兩名操作人員，每班工作12小時，一天可生產17280個瓶子，成本10至12分每個；而由6名男子和男孩組成的小組用傳統方式只能生產2880個瓶子，成本1.8美元每個。分段驅動器是利用控制論開發的。分段電傳動用於機器的不同部分，其間須保持精確的差值。在軋鋼時，材料透過軋筒時，軋筒必須以相同的速度勻速執行。在造紙中，紙張透過成組排列的蒸汽乾燥口，必須以較慢的速度勻速傳動。1919年，分段電傳動首次出現於造紙機。20世紀鋼鐵工業最重要的發展之一便是連續寬鋼帶軋製，由Armco公司發明於1928年。在自動化之前，許多化學品都是成批生產的。1930年，隨著儀器的廣泛使用和控制器的興起，陶氏化學公司創始人開始提倡連續生產。1840年代，詹姆斯·內史密斯開發了能實現手部靈活性的自動機床，這樣原先需要熟練工人的工作可由男孩和非熟練工人操作。1950年代，機床透過打孔紙帶實現了數值控制。今天，幾乎所有型別的製造和裝配過程都實行了廣泛的自動化。較大多過程包括髮電、煉油、化工、鋼廠、塑膠、水泥廠、化肥廠、紙漿和造紙廠、汽車和卡車組裝、飛機生產、玻璃製造、天然氣分離廠、食品和飲料加工、罐頭和裝瓶以及各種零件的製造。機器人在汽車噴漆等危險應用中特別有用。機器人也被用來組裝電子線路板。汽車焊接是用機器人完成的，自動焊接機被用於管道等應用。航天/計算機時代.隨著1957年太空時代的到來，控制設計從經典控制理論的頻域技術轉回19世紀末的微分方程時域技術。40到50年代，德國數學家Irmgard Flugge-Lotz發展了不連續自動控制理論，後被廣泛應用於啟停式控制，如導航系統、火控系統和電子學。Flugge-Lotz等人的理論後來衍生出非線性系統時域設計。優缺點與限制.自動化在工業中最常見的優勢也許是其可以造成生產速度的提升與勞動力成本的下降。另外，在危險環境中進行，或超出人類能力的任務，也可以由泛用性更廣又方便維護的機器完成。但就目前而言，並非所有任務都能實現自動化，有些任務的自動化成本反而高於人工。工廠環境中完全自動化的初始成本很高，可能還會導致產品本身的損失。此外，似乎有研究表明，工業自動化可能會帶來操作問題之外的不良影響，比如系統性失業，以及環境破壞；然而這些研究結果本質上存在爭議，且存在緩解的手段。自動化的優點主要有：自動化主要描述的是機器代替人行動。機械化在尺寸、力量、速度、耐力、視覺範圍、敏銳度、聽覺頻率與精確度、電磁感應及影響等方面擴充套件了人類能力，主要優勢包括：自動化的缺點主要有：自動化悖論.自動化悖論認為，自動化系統的效率越高，雖然人類參與程度變少了，但操作者的人力貢獻反而越關鍵。認知心理學家Lisanne Bainbridge在擁有大量引用的《自動化的反諷》中指出了這個問題。自動化系統一旦出現錯誤，它就會成倍放大這個錯誤，直到得到修復或被關停，這也就是人類操作者的作用。這方面的一個例子是法國航空447號班機空難，自動化系統的錯誤使飛行員陷入沒有事先準備的手動操作中。使用工具.工程師現在可以數字控制自動化裝置。其結果是迅速擴大了應用範圍和人類活動。不同型別的自動化工具存在：應用.工業自動化是自動化技術應用的一個最為重要的方向。其具體運用的方面有：在工業上帶來的影響.工業自動化多以自動裝置取代高危險、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。透過自動化的裝置匯入，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，在匯入前需要準備的工作如下：簡易三要點評斷是否適合自動化匯入：同時自動化也可能造成失業問題的增加成為政治議題，傳統自動化機械隨著電腦發展逐漸智慧化，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，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。與其他學科的關係.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，尤其是數學和資訊學，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。應用範圍.自動化應用領域可分為：辦公自動化，機械自動化，資訊自動化，工業自動化，汙水處理自動化等等，應用十分廣泛。工廠自動化.生產自動化控制，即是利用自動化的生產裝置，一貫作業的生產方式，從事有效率的產品生產，我們稱之為工廠自動化控制。例如：目前，隨著自動化控制的逐漸完善，已出現“無人工廠”。設計自動化.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，轉成控制程式或生產流程，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。實驗室自動化.實驗室自動化控制，即利用自動化裝置與電腦軟體技術及應用，或可程式控制器等裝置，結合溫度、濕度、壓力、流量等感測器，將實驗室的控制程式或生產流程，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。檢測自動化.檢測自動化控制，即利用自動化的檢測裝置與電腦軟體技術及程式應用，結合溫度、濕度、壓力、流量等感測器裝置，能自動地檢測樣品，並將檢測的物理量的資料，轉成簡單的圖或語言，來表示檢測結果。辦公室自動化.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。家庭自動化.家庭自動化控制，即利用自動化的裝置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裝置，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，讓使用者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。服務自動化.服務自動化控制，即利用自動化的裝置與電腦軟體技術及程式應用，結合各式各樣的自動化裝置或感測器，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。未來趨勢.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資訊活動的自動化發展，比如利用計算機來自動設計，而不只是輔助設計。