什么是自动化？

自动化被定义为一系列最大限度地减少过程中的人为干预的技术。通过预先确定决策标准、子过程链接和相关操作，并将这些预先确定的内容体现在计算机中，从而减少了人为干预。

自动化是指使用机器来执行以前由人类完成的工作，或者越来越多地执行不借助机器就无法完成的工作。虽然“机械化”经常被用来指简单地用机器取代人力，但自动化通常指的是将机器整合到一个自治系统中。现代生活的几乎所有部分都受到自动化的影响，自动化已经彻底改变了技术使用的领域。

“自动化”一词最早于1946年左右在汽车行业使用，用来描述在机械化制造生产线上越来越多地使用自动机械和控制装置。该词归功于当时福特汽车公司工程部经理 D.S. Harder。该词经常在制造业的背景下使用，但在制造业之外，也用于与一系列人类努力和智能被机械、电气或计算活动显著取代的系统相关的场合。

总的来说，自动化一个过程的技术涉及使用预编程命令和自动反馈控制来确保指令被正确遵循。创建的系统可以在没有人为干预的情况下运行。为了这项技术的发展，计算机和计算机相关技术的使用变得越来越重要。因此，自动化系统变得越来越复杂和智能化。在许多方面，先进系统的能力和性能优于人类执行相同任务的能力。

从自动化技术中演变出了许多不同的技术，以至于它们现在被认可并拥有自己的地位。其中一项技术是机器人技术，它是自动化的一子集，其中自动化机器表现出许多拟人化的、或类人的特征。现代工业机器人的动力驱动机械臂最像人类的手臂。机器人的手臂可以被编程为通过一系列动作来执行实际任务，例如在生产机器上装卸零件，或在汽车车身装配过程中的金属板组件上完成一系列的点焊。如这些例子所示，工业机器人在制造业环境中通常被用来替代人力。

本文涵盖了自动化的基本原理、历史发展、操作原理、在制造业中的应用、影响日常生活的一些关键服务和行业，以及它们对个人和社会整体的影响。文章还探讨了机器人作为自动化关键组成部分的技术进步。

自动化的历史发展

工业革命催生了相关的机械化领域，而机械化又催生了自动化技术。机械化过程涉及使用某种机械动力来代替人力（或畜力）。人类制造工具和机械设备的倾向是机械化的驱动力。以下是有助于为现代自动化系统铺平道路的一些重大的机械化和自动化历史进展。

早期发展

史前人类在人类智能的控制下运用自身力量的早期尝试，可以从最早的石制工具中看出。创造像轮子、杠杆和滑轮这样可以增强人类肌肉力量的粗糙机械工具和机器，无疑花费了数千年时间。接下来的发展是创造无需人力就能操作的动力设备。这些设备包括简单的蒸汽驱动设备、风车和水车。中国人早在 2000 多年前就发明了由水和水车驱动的冲锤。早期希腊人尝试过简单的蒸汽驱动反作用力发动机。机械钟是一种相当复杂的装置，其内部动力源为重力，于1335年在欧洲被创造出来。在中世纪，欧洲和中东发明了带有自动帆转动装置的风车。蒸汽机的发明标志着工业革命的开始，并代表了动力机械设计的一个重大进步。自瓦特蒸汽机发明两个世纪以来，人们已经开发出从蒸汽、电力、化学、机械和核能中汲取动力的动力设备和发动机。

在动力机械的历史上，每一次新的进步都增加了对控制机制的需求，以驾驭机器的动力。在最早的蒸汽机上，一个人必须打开和关闭阀门，以便将蒸汽送入活塞室并排出。后来，开发了一种滑阀机构来自动执行这些任务。唯一留给操作员的任务是控制蒸汽量，该蒸汽量决定了发动机运行的速度和功率。

飞球调速器消除了对蒸汽机运行中人为干预的需要。这个装置是詹姆斯·瓦特在英国发明的，它由一个铰链臂上的配重球组成，该球与发动机的输出轴机械连接。当轴的转速增加时，离心力导致配重球向外移动。这种运动控制了一个阀门，该阀门减少了送入发动机的蒸汽量，从而降低了发动机的速度。尽管如此，飞球调速器仍然是负反馈控制系统的一个精彩的早期示例，其中系统的输出增加被用来降低其活动。

负反馈是维持系统运行水平的一种通用自动控制技术。现代建筑中用于调节室温的恒温器是反馈控制系统的典型例子。在该装置中，当环境温度下降时，一个电开关闭合，启动加热元件。当温度升高时，开关打开，切断热源。恒温器可以在任何指定的设定点开启加热系统。

提花织布机（见图）是自动化历史上另一个重要的进步，它展示了可编程机器的概念。法国发明家 Joseph-Marie Jacquard 于 1801 年发明了一种自动织布机，该织布机可以通过控制各种彩色纱线的不同梭子的运动来创建复杂的纺织品设计。其中包含计算机程序（存储在带有打孔的钢卡片上）决定了各种图案。这些卡片是当今用于操作自动设备的纸卡和盒式磁带的先驱。19 世纪后期，英国数学家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）创造了一台复杂的机械“分析机”，能够进行计算和数据处理，这进一步扩展了对机器进行编程的概念。尽管巴贝奇从未能完成这台机器，但它却是现代数字计算机的前身。请参阅计算机。

现代发展

数字计算机、数据存储和用于生成计算机程序的软件的进步、传感器技术的改进以及数学控制理论的发展，只是 20 世纪在各个领域发生的一些关键发现。所有这些进步都对自动化技术的发展有所贡献。

像 1946 年的 ENIAC [电子数字积分器和计算机] 和 1951 年的 UNIVAC I [通用自动计算机] 这样的电子数字计算机，极大地改进了自动化控制功能。这些机器还使得完成相关计算的速度比以前快得多。始于 20 世纪 60 年代集成电路制造的计算机技术小型化趋势，产生了比其前身小得多且成本低得多的设备，同时仍然能够以更高的速度进行计算。微处理器，一种可以执行大型数字计算机所有逻辑和数学运算的小型多电路设备，是这种趋势的一个现代例子。

与计算机技术的进步 parallel，程序存储技术（存储编程命令）也有所进步。磁带和磁盘、磁泡存储器、激光读取的光学数据存储、视盘和电子束可寻址存储器设备是现代存储介质的例子。此外，计算机编程技术也得到了改进（就像其他可编程机器一样）。现代编程语言在处理数据和推理方面的能力更强。它们也更容易使用。

由于传感器技术的发展，现在有各种各样的测量工具，它们可以作为自动反馈控制系统的组成部分。高灵敏度机电探头、扫描激光束、电场技术和机器视觉就是这些设备中的一些。其中一些传感器系统需要使用计算机技术来实现。例如，只有高速数字计算机才能处理机器视觉所需的海量数据。这项技术表明，它可以作为一种灵活的传感能力，用于各种工业活动，包括机器人导航、质量检查和零件识别。

最后，自第二次世界大战以来，出现了一种相当复杂的控制系统数学理论。该理论涵盖常规负反馈控制、最优控制、自适应控制和人工智能。传统反馈控制理论使用线性常微分方程来研究问题，这与瓦特的飞球调速器一样。尽管大多数过程比飞球调速器复杂，但它们仍然遵循解释它们的微分方程的相同物理原理。最优控制理论和自适应控制理论都试图解决选择感兴趣过程的适当性能指标，然后以优化性能的方式对其进行操作的问题。自适应控制与最优控制不同之处在于，它必须用于环境不断变化且不可预测的情况，需要对周围环境进行传感器测量才能执行控制计划。

在计算机科学最先进的领域——人工智能中，机器被设计成展现出通常与人类智能相关的特征。这些特征包括学习、理解语言、推理、解决问题、提供专家诊断和其他相关的认知能力。预计机器人和其他“智能”机器将能够与人类对话并接受非常高级的命令，而不是像现在对可编程机器所需的那样详细的分步编程语句。例如，未来具有人工智能的机器人可能能够接受并执行“制造产品”的指令。对于今天的工业机器人来说，必须非常精确地指定产品的零件位置、组装顺序以及其他细节。

自动化原理与理论

上述创新提供了自动化的三个基本组成部分——执行某些活动的动力源、反馈控制和机器编程。自动化系统通常会具备所有这些特征。

动力源

自动化系统是为了执行有益的任务而创建的，该任务需要能量。尽管有多种能量来源可用，但电力是当今自动化系统最常用的能量来源。电是适应性最强的能量形式，可以很容易地从其他来源（如化石燃料、水力发电、太阳能和核能）产生，并很容易地转化为其他类型的能量（如机械能、液压能和气压能）以执行有用的功。此外，长寿命的强大电池可用于存储电能。

自动化系统通常执行两种类型的操作。

1. 加工和
2. 传输和定位。

在第一种情况下，能量用于对物体执行加工任务。根据工艺的不同，金属可能会被成型，塑料可能会被模塑，通信系统中的电信号可能会被切换，或者计算机化信息系统中的数据可能会被处理。为了将实体（例如金属、塑料、电信号或数据）从一种状态或条件转化为另一种更有利的国家或条件，所有这些操作都需要能量。第二种类型的操作——传输和定位——最常出现在旨在对产品执行工作的自动化生产系统中。在这些情况下，在系列加工过程中，产品通常需要被（传输）从一个区域转移到另一个区域。在每个加工站通常都需要精确定位产品。在自动化通信和信息系统中，术语传输和定位指的是将信息传输到输出终端以及在各种处理单元（例如：打印机、视频显示单元等）之间传输数据（或电信号），以供人类解释和使用。

反馈控制

许多现代自动化系统都包含反馈控制。反馈控制系统由五个基本部分组成：输入、受控过程、输出、传感器组件以及控制器和执行器。图 1 展示了这五个元素的示意图。这种技术通常被称为闭环反馈控制。

系统的输入作为其输出的设定点或参考值。这是输出期望运行值的示例。以我们前面例子中的加热系统为例，输入是期望的房间温度设定。加热器是受控过程（例如，炉子）。其他反馈系统中的过程可能是工厂生产线、航天飞机上的火箭发动机、汽车的巡航控制系统，或者任何其他向其输送动力的过程。在上述示例中，正在测量并与输入进行比较的过程变量是室温。

反馈系统中的控制器和执行器用于比较测量到的输出值与参考输入值，并减小它们之间的差异。总的来说，系统的控制器和执行器是通过对过程进行修改来影响输出变量的手段。这些设备是专门为该系统设计的，通常包含电机、阀门、电磁开关、活塞气缸、齿轮、动力螺杆、滑轮系统、链条传动以及其他机械和电气组件。加热系统的控制器和执行机构是连接到恒温器双金属片的开关。当输出（室温）低于预设水平时，开关会启动加热器。当温度升高到预设点以上时，加热器就会关闭。

机器编程

系统将自动执行的操作序列由编程指令决定。程序概述了自动化系统必须执行的任务以及其各部分如何协同工作以实现预期结果。程序的内容因系统而异。在相对简单的系统中，程序由一组清晰定义的操作组成，这些操作以正确的顺序重复且连续地执行，且从一个周期到下一个周期没有变化。在更复杂的系统中，命令的数量和每个命令的详细程度可能都相当大。在越来越复杂的系统中，程序能够修改事件的顺序，以响应原材料或其他操作变量的变化。

在自动化系统中，编程命令与反馈控制相关联，因为它们指定了构成自动化系统的多个反馈控制环的输入（设定点）的值的顺序。反馈环路的设定点可能在特定的编程指令中指定，该指令控制系统期望的操作。反馈环路的主要目的是确认已完成编程步骤。例如，在机器人控制器中，程序可能指示手臂移动到特定位置，然后使用反馈控制系统确认该移动已正确执行。图 2 显示了程序控制和反馈控制在自动化系统中的交互方式。

编程指令可以存储在机械部件（如机械凸轮和连杆）、打孔纸带、磁带、磁盘、计算机内存或随时间推移为特定目的开发的任何其他介质上。自动化设备现在经常使用计算机存储技术来存储编程命令，并将其转换为受控操作。计算机存储的一个好处是程序易于修改或改进。更改存储在机械凸轮上的程序需要大量工作。

工业机器人

自1960年左右以来，工业机器人作为一种自动化技术引起了极大的关注。本节将介绍工业机器人的发展、机器人机械手的创建以及机器人编程的技术。在下面的“自动化和机器人技术的制造应用”部分中，将讨论机器人的用途。

自动化和机器人技术的制造应用

制造业是自动化技术最重要的应用领域之一。许多人将自动化与制造业联系起来。本节定义了自动化的各种类别，并举例说明了自动化生产系统。

生产中的自动化可分为三种类型

(1) 固定自动化：固定自动化，也称为“硬自动化”，指的是一种自动化生产环境，其中设备配置决定了加工操作的顺序。实际上，机器的凸轮、齿轮、电线和其他硬件——这些硬件很难从一种产品样式切换到另一种产品样式——就包含了编程指令。这种自动化类型的特点是生产率高，初始投资大。因此，它适用于产量很大的产品。固定自动化的例子包括汽车行业的自动装配线、特定化学工艺和加工传输线。

(2) 可编程自动化：这是一种用于批量生产的自动化类型。产品以几十到几千个单位的批量生产。对于每个新批次，生产机械必须重新编程和修改才能适应新的产品样式。对于每个新批次，都有一个生产运行，然后是停机一段时间，在此期间完成重新编程和切换。软件套件。另一个例子是工业机器人。

(3) 柔性自动化：可编程自动化是柔性自动化的一种。为每个新产品批次重新编程和切换生产设备所需的时间是可编程自动化的缺点。这会导致昂贵的生产时间损失。在柔性自动化中，产品多样性受到足够限制，可以快速自动切换设备。在柔性自动化中，设备是离线重新编程的，这意味着编程在计算机终端上完成，而不使用实际的生产设备。因此，不必批量生产相似的产品，而是可以一个接一个地生产各种不同的产品。

日常生活中的自动化

自动化技术在制造业之外也取得了长足的进步，包括在通信、交通、服务和消费品领域。本节将讨论一些更重要的应用。

通讯

电话交换是自动化最早的实际应用之一。在 19 世纪末，作为第一批交换机，开发了简单的机械开关。这些开关可以通过拨号或按电话上的按钮进行远程操作。现代电子电话交换系统基于极其复杂的数字计算机，它们执行各种操作，例如监控数万条电话线、确定哪些线路需要服务、存储拨号号码、建立必要的连接、发送电信号以振铃接收方的电话、监控通话进行情况以及在通话结束后断开连接。

服务行业

服务行业自动化的应用与服务本身一样多样，包括银行及其他金融服务、零售贸易、政府和医疗保健。

为了改善服务和减轻医务人员的负担，计算机形式的自动化得到了显著发展。在医院的每个护理级别，计算机终端都会跟踪患者的病情、服用的药物和其他相关数据。其中一些系统还可以用于从医院药房订购药物，以及呼叫送餐员等额外任务。该系统为提供的护理提供了正式记录，护理人员在换班时使用它来提交报告。医院的业务办公室与计算机系统相连，以便为每位患者提供的服务和药物收取正确的费用。

交通

交通运输行业在各个方面都应用了自动化。应用包括飞机和火车上的自动驾驶仪、城市公共交通系统和航空公司预订系统。航空公司定期使用计算机预订系统跟踪每架飞机的状态。这些方法使机票销售代表能够快速了解从远距离的任何飞机上的可用座位数量。在有空位的情况下，预订系统会检查每次航班状态的空位请求，填写请求，并自动更新预订状态文件。即使在航班起飞前，乘客也可以获得座位分配。

自动化的优缺点

自动化通常被归因的优点包括提高生产率和生产效率、提高产品质量、增强安全性、缩短劳动者工作周以及缩短工厂交货时间。在大多数情况下，自动化使用已通过更高的产量和更好的生产力得到证明。尽管人类劳动者因其专业技能而做出高质量的承诺，但自动化系统通常比人类劳动者更一致地完成生产过程，从而提供更好的产品质量控制和一致性。此外，改进的工艺控制能更有效地利用资源，生产更少的废料。

一项工业活动应自动化的原因有很多，包括工人安全。自动化系统通常将工人从工作场所中移出，保护他们免受工厂环境的危险。随着国家致力于使工作更安全并保护员工的身体健康，美国于 1970 年通过了《职业安全与健康法》（OSHA）。OSHA 鼓励在工厂中使用自动化和机器人技术。

工厂工人平均每周工作时间的减少是自动化的另一个好处。大约在 1900 年，一个工作周大约是 70 小时。此后，在美国，工作周已缩短至大约 40 小时。自动化和机械化在这一下降中起到了非常重要的作用。最后，自动化通常会缩短处理标准生产订单通过工厂所需的时间。

工人失业已被提及是自动化的一大缺点。几乎总是，尽管在对失业工人进行再培训以从事替代性工作方面可能存在潜在的社会优势，但工作被机器取代的个人会经历一段情绪压力。个人除了与工作场所分离之外，还可能在地理上分离。一个人可能需要搬迁才能找到新工作，这又是另一种压力情况。

进行自动化所需的高昂资本投资（设计、制造和安装自动化系统的成本可能高达数百万美元）、与手动操作的机器相比需要更多的维护，以及与手动系统相比，在可能的产品方面普遍缺乏灵活性是自动化设备的另外一些缺点（即使是柔性自动化也比人类灵活，人类是最通用的机器）。

尽管存在这些风险，如果高效智能地使用自动化技术，它就能为未来带来显著的好处。人类可以从所有类型的单调、危险和令人不快的工作中解放出来。此外，随着社会和经济条件的发展，未来自动化技术有可能使人们过上更好的生活，拥有更高的生活水平。