自動控制

**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序的機構機制，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對象或過程自動地按預定規律運行。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（干擾 d）。為了達到這個目的，加熱必須被適當的影響。通過閥門的調節，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。

自動化技術已被通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。

## 發展歷史

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》（On Governors）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。

### 控制理論出現之前

最初的控制器在公元前 300 年的古希臘就被發明了出來。來自埃及的古希臘工程師科泰西比奧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，它在 1745 年已經被埃德蒙・李 (Edmund Lee) 申請了專利。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**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，也屬世界首創。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。

### 控制理論出現之後

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。

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，通過美國數學家維納等人的努力，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，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。

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。

## 使用工具

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。

不同類型的自動化工具存在：

* ANN - 人工神經網絡
* DCS - 分布式控制系統
* HMI - 人 - 機用戶界面
* SCADA - 數據採集與監控系統
* PLC - 可程式邏輯控制器
* 機器人學

## 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：

* 計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助製造（CAM）
* 綜合辦公自動化（OA）(門禁系統、資訊科技稽核等)
* 過程控制與自動化儀器儀表
* 人工智慧技術

## 在工業上帶來的影響

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。

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，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。

## 應用範圍

自動化應用領域可分為：辦公自動化，機械自動化，信息自動化，工業自動化，污水處理自動化等等，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設備，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：

* 汽車工業：藉著整條生產線的分工裝配，每幾分鐘即可生產一部汽車。
* 紡織工業：每幾分鐘即可高速生產一批布料。
* 塑膠工業：產出塑膠原料後，在經過射出成型機器，產出各種塑膠模型。
* 電子工業：產出各式各樣的消費電子產品，如電視機、伴唱機、照相機等。
* 半導體業：經過研磨、曝光、顯影、蝕刻、切割、封裝等技術，產出一顆顆的功能式晶片，以供應電子工業。
* 電機工業：產出各式各樣的電機設備產品，如變壓器、馬達、不斷電設備、發電機組等。
* 機械工業：產出各式各樣的機器設備產品，如車床、銑床、堆土機等。
* 製藥工業：產出各式各樣的藥品，提供治療所需等。
* 農業工程：產出各式各樣的花卉或盆栽，如蝴蝶蘭的育種栽培等。

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。

### 實驗室自動化

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。

### 檢測自動化

檢測自動化控制，即利用自動化的檢測設備與電腦軟體技術及程式應用，結合溫度、濕度、壓力、流量等感測器設備，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。

### 服務自動化

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。

## 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。

## 參見

* 量產
* 辦公室自動化
* 機器人
* 標準化
* 工業設計
* 門型機械手
* 無條件基本收入

## 參考書籍

* 
* 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （英文）Jobs in Automation, Robotics and Process Control
* （英文）ISA (International Society of Automation) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* （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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

## 參考資料