自動化專業概述劉淮霞自動化顧名思義，就是自動化技術在工農業生產、交通運輸、國防建設和航空、航天等方面的應用。自動化技術自上世紀30年代以來，取得了驚人的成就，已在工農業生產和國民經濟各行業中起著關鍵的作用，自動化水平的高低已成為衡量各行各業和各國家現代化水平的一個重要標志，自動化專業就是要學習自動化技術，并把它應用到實際的系統中去。

我國高等院校自動化專業的培養目標：培養適合社會主義現代化建設需要，德智體全面發展，在控制理論、控制系統、生產過程自動化、人工智能與機器人控制等領域具有寬廣理論基礎和相關專門知識，具有創新和開拓精神的高級工程技術人才。畢業生能在國民經濟及國防各部門和行業從事控制系統的研究、設計、集成、開發、制造和應用等工作。一、自動化專業介紹二、自動化的發展簡史三、自動控制與自動化技術的應用范疇四、自動化專業所開設的專業課程一、自動化專業介紹自動化專業是面向系統、軟硬兼顧、注重應用的寬口徑專業。培養具備電工技術、電子技術、自動控制理論、自動檢測與儀表、信息處理、系統工程、計算機技術與應用和計算機網絡技術等較寬領域的工程技術基礎和專業知識的高級技術人員。學生畢業后，可在各行各業的運動控制、過程控制、電力電子技術、檢測與自動化儀表、計算機控制等領域從事系統分析、系統設計、系統運行、科技開發及研究等方面的工作。大家將在四年里，除了學習一些基礎課（如高等數學、大學英語、大學物理）等，還將主要學習電路原理、電子技術基礎、微機原理、自動控制原理、信號與系統、單片機及接口技術、儀表與過程控制、電機控制、計算機控制等課程。二、自動化的發展簡史2.自動化技術形成時期（18世紀末至20世紀30年代）公元1788年英國機械師J.Watt（瓦特）發明離心式調速器，并把它與蒸汽機的閥門連接起來，構成蒸汽機轉速的閉環自動調速系統，這項發明對第一次工業革命和控制理論后來的發展有重要影響。1.自動裝置的出現和應用（18世紀以前）

古代人類在長期的生產和生活中，為了減輕自己的勞動，逐漸利用自然界的動力（風力、水力等）代替人力、畜力，以及用自動裝置代替人的部分繁重的腦力活動和體力活動。例如：古代，公元前14至公元前11世紀，中國和巴比倫出現了自動計時裝置—刻漏等，近代，俄國機械師波爾祖諾夫于公元1765年發明了蒸汽鍋爐水位保持恒定，用的浮子式閥門水位調節器。控制和自動化技術的發展經歷了四個歷史時期。

（1）自動調節的廣泛應用：由于第一次工業革命的需要，人們開始采用自動調節器或裝置，使一些物理量保持在給定值附近。公元1868年法國工程師J。法爾科發明反饋調節器，并把它與蒸汽閥連接起來，操作蒸汽船的舵，他稱之為伺服機構。到了20世紀20~30年代，美國開始采用PID調節器，這是一種模擬式調節器，現在還在許多工廠中使用。

（2）自動調節系統的穩定性問題：自動調節器和被控制對象組成自動調節系統，當時人們發現系統的被控制量忽高忽低，即發生振蕩（不穩定），這使得一些科學家從理論上來加以研究，公元1877年英國數學家E。勞斯、1895年德國數學家A。胡爾維茨提出代數穩定判據，沿用到現在。公元1892年俄國數學家A。李雅普諾夫提出穩定性的嚴格數學定義并發表了專著。他的穩定性理論至今還是研究分析線性和非線性系統穩定性的重要方法。

（3）反饋控制和頻率法：進入20世紀以后，工業生產中廣泛應用各種自動調節裝置，促進了對調節系統的分析和綜合的研究。通過在解決電子管放大器失真問題上的研究，1927年美國電氣工程師H。布萊克（Black）引入的反饋概念，使人們對自動調節系統中反饋控制的結構有了更深刻的認識。此后在拉普拉斯變換的基礎上，傳遞函數的觀念被引入到分析自動調節系統或元件上，成為重要工具。1932年美國電信工程師N。奈奎斯特提出著名的穩定判據，可以根據開環傳遞函數判定閉環反饋系統的穩定性。以上標志著經典控制理論的誕生。3.局部自動化時期（20世紀40~50年代）

（1）經典控制理論的形成和發展：在前述代數穩定判據和傳遞函數、依據頻率響應的頻率法判據的基礎上加上W。埃文斯1948年的根軌跡法，奠定了經典控制理論的基礎。第二次世界大戰后工業迅速發展，隨著高速飛行、核反應堆、大電力網和大化工廠提出的新控制問題：非線性系統、時滯系統、脈沖及采樣控制系統、時變系統、分布參數系統和有隨機信號輸入的系統的控制問題等的深入研究，經典控制理論在20世紀50年代有了新的發展。

（2）局部自動化的廣泛應用：第二次世界大戰后，在工業上已廣泛應用PID調節器，并用電子模擬計算機來設計自動控制系統。當時在工業上實現局部自動化，即單個過程或單個機器的自動化。當時的PID調節器是電動的或氣動的、液壓的。在20世紀30~40年代出現了統一信號的、通用的、標準的氣動單元組合儀表。20世紀50年代研制出了電動單元組合儀表。這些為工業自動化提供了必不可少的技術工具，并使得構成和設計自動控制系統更簡便、更工程化了。

（3）電子數字計算機的發明：電子數字計算機的發明，為20世紀60~70年代開始的在控制系統廣泛應用程序控制和邏輯控制以及應用數字計算機直接控制生產過程，奠定了基礎。目前小型計算機或單片計算機已成為復雜自動控制系統的一個組成部分，以實現復雜的控制和算法。4.綜合自動化時期（20世紀50年代末起至今）復雜工業、復雜工業過程和航天技術的自動控制問題，都是多變量控制系統的分析和綜合問題，迫切需要加以解決。但經典的控制理論的直接應用遇到了困難。20世紀70年代微處理機的出現對實現各種復雜的控制任務起了重大的推動作用。現代控制理論的形成和發展：1956年，前蘇聯數學家龐特里亞金提出極大值原理，同年美國數學家R、貝爾曼創立動態規劃。兩者為解決最優控制問題提供了理論工具。1960年美國數學家R、卡爾曼提出能控性和能觀性兩個概念，揭示了系統的內在屬性。以上標志著現代控制理論的誕生，并得以迅速發展，形成了多個重要分支：系統辯識、自適應控制和自校正控制器、遙測、遙控和遙感、綜合自動化、大系統理論、模式識別和人工智能、智能控制。三、自動控制與自動化技術的應用范疇控制與自動化是不斷發展的高、新科學技術，對人類生產、生活和科學研究有著非常重要的影響。控制與自動化技術發展至今，可以說是已從“人類手腳的延伸”擴展到“人類大腦的延伸”。控制與自動化技術時時在為人類“謀”福利，可謂無處不在、無處沒有。

控制與自動化技術正在迅速地滲入家庭生活中。比如全自動洗衣機，不用人動手就能把衣服洗得干干凈凈。電腦控制的微波爐，不但能按時自動進行烹調，做出美味可口的飯菜，而且安全節電。電腦控制的電冰箱，不但能自動控溫，保持食物鮮美，而且能告訴食物存儲的數量和時間，還能為烹飪美味佳肴提供建議。還有空調機能提供溫暖如春的環境，清掃機器人能打掃房間等。

在工廠，人們使用各種自動化裝置或系統，如機器人、自動化小車、數控機床、柔性生產線和計算機集成制造系統等，完成產品的加工、裝配、包裝、運輸、存儲等工作。在鋼鐵、石油、化工、農業、漁業和畜牧業等生產和管理過程中，人們用自動化儀表和自動化裝置來控制生產參數，實現生產設備、生產過程的自動化。

在辦公室，人們廣泛地引入微型電腦及信息網絡、文字處理機、電子傳真機、專用交換機、多功能復印機和秘書機器人等技術和設備，不斷實現辦公自動化。利用自動化的辦公設備，可自動完成文件的起草、翻譯、修改、審核、分發、歸檔等工作，并利用信息高速公路、多媒體等技術進一步提高信息加工與傳遞的效率，實現辦公的全面自動化。辦公自動化的主要目標是企業管理自動化。

在交通運輸中，采用自動化設備實現交通工具自動化及管理自動化，包括車輛運輸管理、海上及空中交通管理、城市交通控制、客票預定及出售等。在醫療保健事業及圖書館、商業服務行業中，在農作物種植、養殖業生產過程中，都可以實現自動化管理及自動化生產。

在生態、環境和社會等復雜系統中，控制科學和技術為人類開辟了嶄新的研究途徑，為決策和管理的科學化提供了可能。在現代的和未來的戰場上，飛機、艦艇、戰車、火炮、導彈、軍用衛星、以及后勤保障、軍事指揮等，更是時時處處離不開控制與自動化技術。1、機械械制制造造自自動動化化機械械制制造造是是現現代代工工業業重重要要的的組組成成部部分分，，對對國國民民經經濟濟建建設設有有非非常常巨巨大大的的影影響響。。（1）數控控技技術術和和數數控控系系統統：數數控控技技術術是是一一門門以以數數字字的的形形式式實實現現控控制制的的技技術術，，計計算算機機數數字字控控制制系系統統是是由由程程序序、、輸輸入入輸輸出出設設備備、、計計算算機機數數字字控控制制裝裝置置、、可可編編程程序序控控制制器器、、主主軸軸驅驅動動裝裝置置和和進進給給驅驅動動裝裝置置等等組組成成。。數數控控技技術術是是美美國國從從數數控控機機床床的的研研制制開開始始的的。。幾幾十十年年來來，，數數控控裝裝置置和和數數控控機機床床經經歷歷了了研研究究、、試試制制（（1948~1955年））、、在工工業業上上應應用用（（1956~1959年））和和高高速速度度發發展展（（1960年到到現現在在））三三個個發發展展階階段段。。實實踐踐經經驗驗證證明明，，數數控控裝裝置置和和數數控控機機床床在在提提高高生生產產效效率率、、節節省省人人力力、、提提高高加加工工精精度度、、降降低低加加工工費費用用等等方方面面都都具具有有很很大大的的優優越越性性。。數數控控技技術術在在近近幾幾年年來來獲獲得得了了極極為為迅迅速速的的發發展展，，它它不不僅僅在在機機械械加加工工中中越越來來越越普普遍遍得得到到應應用用，，而而且且在在其其他他設設備備中中也也廣廣泛泛應應用用。。例例如如：：數數控控精精密密火火焰焰切切割割機機和和電電火火花花切切割割機機、、數數控控彎彎扳扳機機、、數數控控彎彎管管機機、、數數控控壓壓力力機機、、數數控控繪繪圖圖機機、、數數控控電電焊焊機機等等。。特特別別是是高高效效自自動動化化機機床床，，是是機機床床自自動動化化方方面面一一個個新新的的、、重重要要發發展展方方向向。。數數字字控控制制機機床床的的出出現現，，標標志志著著機機床床工工業業進進入入了了一一個個新新的的發發展展階階段段，，也也是是當當前前工工業業自自動動化化的的主主要要發發展展方方向向之之一一。。（2）柔性制造造系統：是在計計算機直直接數控控基礎上上發展起起來的一一種高度度自動化化加工形形式。它它是由統統一的控控制系統統和輸送送系統連連接起來來的一組組加工設設備，包包括數控控機床、、材料和和工具自自動運輸輸設備、、產品零零件自動動傳輸設設備自動動檢測和和試驗設設備等，，不僅能能進行自自動化生生產，而而且還能能在一定定范圍內內完成不不同工件件的加工工任務。。柔性制制造系統統由加工工系統（（多臺制制造設備備）、物物流系統統（設備備間自動動傳輸材材料、工工具和產產品零件件）、中中央管理理系統（（執行整整個系統統的生產產計劃與與作業調調度、集集中監控控以及加加工程序序管理等等工作））組成。。（3）計算機集集成制造造系統：是在自自動化技技術、計計算機技技術及制制造技術術的基礎礎上，通通過計算算機及其其軟件，，將制造造工廠全全部生產產活動（（設計、、制造及及經營管管理，包包括市場場調研、、生產決決策、生生產計劃劃、生產產管理、、產品開開發、產產品設計計、加工工制造以以及銷售售經營等等）與整整個生產產過程有有關的物物料流與與信息流流實現高高度統一一的綜合合化管理理，把各各種分散散的自動動化系統統有機地地集成起起來，構構成一個個優化的的完整的的生產系系統，從從而獲得得更高的的整體效效益，縮縮短產品品開發制制造周期期、提高高產品質質量、提提高生產產率、提提高企業業的應變變能力和和競爭能能力。2、過程程工業自自動化過程工業業包括電電力、石石油化工工、化工工、造紙紙、冶金金、制藥藥、輕工工等國民民經濟中中舉足輕輕重的許許多工業業，主要要對系統統的溫度度、壓力力、流量量、液位位（料位位）、成成分和物物性等六六大參數數進行控控制。研研究這些些工業的的控制和和管理成成為人們們十分關關注的領領域，是是本學科科非常重重要的應應用領域域之一。。過程控制制研究過過程工業業生產過過程的描描述、模模擬、仿仿真、設設計、控控制和管管理，旨旨在進一一步改善善工藝操操作，提提高自動動化水平平，優化化生產過過程（提提高產品品的產量量和質量量，降低低原材料料和能源源的損耗耗），加加強生產產管理，，最終顯顯著地增增加經濟濟效益。。早期的過過程控制制系統主主要采用用基地式式儀表、、氣動單單元組合合式儀表表、電動動單元組組合式儀儀表等傳傳統技術術工具，，盡管這這些儀表表、工具具在過程程工業的的多數工工廠中還還在應用用，但隨隨著微處處理器和和工業計計算機技技術的發發展，目目前廣泛泛采用可可編程單單回路、、多回路路調節器器以及分分布式計計算機控控制系統統。近年年來迅速速發展起起來的現現場總線線網絡控控制系統統，更是是控制技技術和計計算機技技術高度度結合的的產物。。與機械械制造系系統中的的計算機機集成制制造系統統類似，，計算機機集成生生產系統統將計劃劃優化、、生產調調度、經經營管理理和決策策引入計計算機控控制系統統，計算算機集成成生產系系統是過過程工業業自動化化的最新新成就和和發展方方向，是是自動控控制與自自動化技技術非常常重要的的應用領領域。3、電力系系統自動動化不管是何何種形式式的電力力系統，，對其都都有三個個方面的的基本要要求：安安全性、、經濟性性和必要要的供電電質量。。為了滿滿足這些些基本要要求，電電力系統統自動化化是必不不可少的的。首先，安全供供電離不不開自動動化。即即使對于于單個的的火力發發電系統統，為了了保障發發電機的的安全，，需要采采用自動動裝置進進行過電電壓保護護、過電電流保護護、接地地保護、、功率反反向保護護或差動動保護。。對汽溫溫、汽壓壓、真空空度、水水位、爐爐膛壓力力、燃燒燒情況以以及汽輪輪發電機機的電流流、電壓壓、軸承承溫度等等參數需需要進行行檢測和和監控。。這些都都是電力力系統基基礎自動動化的基基本內容容。目前前單個的的電力系系統已經經很少見見，由不不同規模模、不同同性質的的電力系系統形成成復雜的的聯網已已經成為為電力系系統發展展的必然然趨勢。。此時，，簡單的的單項自自動裝置置已經不不能解決決問題，，要檢測測和識別別更多的的參數，，并及時時地做出出正確的的綜合判判斷。其次，經濟運運行需要要自動化化。若干干聯網電電廠總的的經濟性性和單個個機組經經濟性的的考慮出出發點不不同，不不能只考考慮單個個機組的的經濟性性。對于于火力發發電廠，，不但要要考慮每每個電廠廠煤耗率率、煤耗耗微增率率（即增增加單位位負荷所所需的煤煤耗量）），還要要考慮不不同電廠廠在輸電電過程中中的不同同線路損損耗。電電力系統統形成復復雜的聯聯網時，，有多個個電廠向向電網輸輸入電力力，由于于環網之之間的出出力分配配相互影影響，人人們將面面臨一個個多輸入入、多輸輸出的大大系統，，它有大大量、復復雜的信信息處理理，還需需要進行行負荷預預測。這這些必須須借助基基于計算算機的自自動化管管理與控控制系統統才能達達到希望望的效果果。再次，供電質質量的自自動化要要求。供供電質量量主要指指電壓質質量和頻頻率質量量。例如如頻率下下降時，，鼓風機機出力減減少，鍋鍋爐給水水泵打不不上水，，火力發發電廠的的鍋爐將將不能運運行；油油泵不能能供應軸軸承潤滑滑油，汽汽輪發電電機的軸軸瓦將被被燒壞。。頻率變變化對電電子設備備的影響響更大。。電壓質質量直接接影響到到用戶的的用電質質量。電電壓過高高會損害害用電電電器，或或影響其其壽命；；電壓過過低則電電燈不亮亮，熒光光燈不能能啟動，，甚至會會由于轉轉矩不夠夠而燒壞壞電動機機。自動動調節發發電機的的端電壓壓、保護護用戶電電壓穩定定、自動動調節頻頻率是電電力系統統自動化化的主要要任務之之一。4．飛行器器控制飛行器是是人類征征服自然然、改造造自然過過程中發發明的重重要工具具。現代代飛行器器有很多多種類，，例如有有飛機、、導彈、、人造衛衛星、直直升機、、運載火火箭、宇宇宙飛船船、航天天飛機等等。不管管是何種種飛行器器均離不不開自動動控制系系統。而而且不同同的飛行行器其控控制系統統也各不不相同，，系統的的性能、、功能和和結構可可能截然然不同。。因此飛飛行器是是自動控控制最重重要的應應用領域域，許多多先進的的、新型型控制理理論和技技術正是是為了適適應飛行行器工程程的高要要求而發發展起來來的。（1）導彈控制制系統：其主要要任務是是：控制制導彈有有效載荷荷的投擲擲精度（（命中精精度），，對飛行行器實施施姿態控控制，保保證在各各種條件件下的飛飛行穩定定性；在在發射前前對飛行行器進行行可靠、、準確的的檢測和和操縱發發射。由由于飛行行時間一一般較短短，但卻卻經受著著內外干干擾、多多種環境境條件的的惡劣影影響，因因而往往往偏離預預計軌道道和預計計飛行狀狀態。控控制系統統的作用用就是消消除或減減小這些些干擾和和影響的的后果，，控制導導彈準確確、可靠靠地完成成飛行動動作，最最后飛向向目標。。（2）導航系統統：導航是是指利用用敏感器器件測量量飛行器器的運動動參數，，并將測測量的信信息直接接或經過過變換、、計算來來表征飛飛行器在在某種坐坐標系的的角度、、速度和和位置等等狀態量量。而由由測量、、傳遞、、變換、、計算幾幾個環節節組成并并給出飛飛行器初初始狀態態和飛行行運動參參數的系系統則稱稱為導航航系統。。例如近近幾年發發展和完完善起來來的全球球衛星定定位系統統。不僅僅飛行器器需要導導航系統統，車輛輛、艦船船也不同同程度地地離不開開導航系系統。（3）制導系統：其主要功能能是利用導航航系統提供的的飛行器運動動參數，對飛飛行器運動進進行控制，使使飛行器從某某一飛行狀態態達到期望的的終端條件，，保證飛行器器以足夠的精精度命中目標標。對于打擊擊遠距離固定定目標的地對對地導彈，一一般是將導彈彈自身的實時時運動參數與與事先設計好好的標準彈道道相比較，由由此獲得誤差差信號，根據據一定的制導導規律（控制制算法）來控控制導彈的運運動，最終使使導彈沿標準準彈道飛行直直到命中目標標。隨著控制制理論的不斷斷發展，許多多新的制導規規律正在不斷斷發展完善。。飛行器控制系系統還有：姿態控制系系統、飛行控控制電子綜合合系統、測試試與發射控制制系統等。5．智能建筑一般認為智能能建筑包括三三大基本要素素，即樓宇自自動化系統，，通信自動化化系統和辦公公自動化系統統，三者是有有機結合在一一起的。樓宇自動化系系統實現對大樓供供電、照明、、報警、消防防、電梯、空空調等設備子子系統的監控控和管理，對對設備運行參參數進行實時時控制與監視視，對動力設設備進行節能能控制，對設設備非正常運運行狀態報警警，從而實現現對設備的優優化管理與控控制，保障設設備運行的安安全性和可靠靠性。通信自動化系系統是大廈智能化化的“中樞神神經”。它由由各種通信設設備、通信線線路以及相關關計算機軟件件組成。它主主要包括傳送送話音、數據據和圖象的基基本通信網絡絡；實現樓層層間各種終端端、微機、工工作站之間通通信的樓層局局域網；溝通通樓群或樓內內計算機與樓樓內各個局域域網間通信聯聯系的高速主主干網以及與與公共信息資資源（如Internet）相通的遠程數數據通信網。。智能大廈的的辦公自動化系系統具有文字處理理、資料管理理、行政管理理、圖象或圖圖形處理、聲聲音處理、網網絡通信等多多種功能，可可以對智能大大廈內的數據據網絡控制中中心提供動態態信息資源分分配、故障診診斷及恢復、、信息處理及及網絡性能等等進行監控。。6．智能交通通系統交通運輸是是國民經濟濟支柱性產產業，對人人類的生產產、生活有有著非常重重要的影響響。每個國國家都面臨臨道路交通通日益擁擠擠、路網通通行能力不不能滿足交交通量增長長需要的問問題。智能能交通系統統正是為了了改變現在在的交通狀狀況、減輕輕交通擁擠擠、減少交交通事故、、制止交通通環境的惡惡化，