自动化技术

使用各种控制系统的操作设备
(重定向自工業自動化

自动化技术是一门综合性技术,它和控制论信息论系统工程计算机技术、电子学、液压气压技术、自動控制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。一些过程已经被完全自动化。廣義來說,通常是指不需藉著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[1]

自動化技术对太空探索而言最重要的,因為人類很難到達外太空和其他星球進行現場操作
工廠自動化
超市的自動包裝機是簡單的PAC
全電腦自動化工廠概念
史崔克裝甲車的車外自動化槍塔取代人力,減低暴露車外危險性

自动化是相对人工概念而言的。指的是在没人参与的情况下,利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。自动化的最大好处是可以节省劳动力,同时,它也可用于节约能源和材料,并改善质量,准确度和精度

室内温度的调节是一个简明易懂的例子。目的是把室内温度保持在一个定值θ,尽管开窗等因素使得室内热量散发出室外(干扰d)。为了达到这个目的,加热必须被适当的影响。通过阀门的调节,温度就会保持恒定。除此之外,在人们有感觉之前,暖器热水的温度也会受外界温度的干扰。

自动化技术已被通过各种方式通常在组合来实现的,包括机械,液压,气动,电气,电子和计算机。复杂系统,例如现代化工厂,飞机和船只,通常使用所有这些组合的技术。

发展历史编辑

自动化技术有着一段引人入胜的历史。在控制理论出现之前,由于没有控制理论的统一指导,各类控制器基本是秉持着“即用即设计”的原则独立设计出现的。自动控制被许多新的发明推动着不断前进。但是,如果想要提高控制的精准性,就必须发展出自动控制领域一套完整的理论。1868年,物理學家詹姆斯·馬克士威在論文《论调速器》(On Governors)[2]中用微分方程为离心力控制器建立了一个模型,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,指导实践,并由在二战期间得到了重大突破与广泛应用。

控制理论出现之前编辑

最初的控制器在公元前300年的古希腊就被发明了出来。来自埃及的古希腊工程师科泰西比奥斯设计了通过浮子控制的水鐘。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,它在1745年已经被埃德蒙·李(Edmund Lee)申请了专利。[3]17世纪初中叶,荷兰人科尼利斯·德雷贝尔英语Cornelis_Drebbel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,瓦特为改良紐科門蒸汽机英语Newcomen atmospheric engine发明的离心调速装置[4]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。[3]与此同时,俄罗斯人波尔祖诺夫英语Ivan Polzunov发明了带有反馈的水面高度控制器,也属世界首创。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。[5]

控制理论出现之后编辑

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,系统一般都在频域描述,问题都用来自贝尔实验室波德奈奎斯特布莱克英语Harold Stephen Black的方法解决,而俄国与东欧的数学家和工程师们一般在时域用微分方程解决问题。

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。

20世纪40年代,通过美国数学家维纳等人的努力,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,产生了控制论。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。

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。

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。

使用工具编辑

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。

不同类型的自动化工具存在:

应用编辑

工业自动化是自动化技术应用的一个最为重要的方向。其具体运用的方面有:

在工業上帶來的影響编辑

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。
 
機械人展

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。

同時自动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[6],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。

与其他学科的关系编辑

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,作为交叉学科,自动控制与其他很多学科有关联,尤其是数学信息学,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。

應用範圍编辑

自动化应用领域可分为:办公自动化,机械自动化,信息自动化,工业自动化,污水处理自动化等等,应用十分广泛。

工廠自動化编辑

 
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:

目前,随着自动化控制的逐渐完善,已出现“无人工厂”。[7]

設計自動化编辑

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。[1]

實驗室自動化编辑

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。[1]

檢測自動化编辑

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。[1]

辦公室自動化编辑

 
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。[1]

家庭自動化编辑

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。[1]

服務自動化编辑

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。[1]

未来趋势编辑

自动化技术的总体發展趋势是: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。

  • 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(含軟件)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。

参见编辑

參考書籍编辑

參考資料编辑

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 江昭皚,〈第六章 ——自動控制原理〉,《農業自動化叢書12機電整合》
  2. ^ Maxwell, J.C. On Governors. Proceedings of the Royal Society of London. 1868, 16: 270–283. JSTOR 112510. doi:10.1098/rspl.1867.0055. 
  3. ^ 3.0 3.1 Bennett 1979
  4. ^ Bennett, S. A History of Control Engineering 1800-1930. London: Peter Peregrinus Ltd. 1979: 47, 266. ISBN 0-86341-047-2. 
  5. ^ 郑, 延慧. 中国科普佳作精选·工业革命的主角. 湖南教育出版社. 1999年8月1日. 
  6. ^ 日本未來可能被機器人搶735萬工作機會
  7. ^ [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]. 

外部連結编辑