【自动化学科科普手册】第一部分 写给选择专业的新人——第一章 初识自动化类专业

第一部分 写给选择专业的新人

第一章 初识自动化类专业

1.1、我们为何要搞自动化

每一门学科都有情怀，像天文探索宇宙奥秘，生物感受生命惊奇，机械探究巧妙设计，计算机了解代码宇宙，数学探寻公式要义。独有自动化，仿佛除了宽口径就业和大篇幅宣传的未来前景，并没有其他的谈资。情怀，仿佛是不存在的。

从人类用手折下一支树枝开始，工具一直伴随我们左右，远古时期火山，地震，洪水，每一次灾害都会带走千百条生命。人类也许从那时开始就在做一个梦，什么时候我们才能操纵自然？

一部分人开始了思考，为何太阳东升西落，为何水会从高处流下，为何人的伤口会自己愈合，可以说，如果人们没有了好奇，没有了征服自然的狂想，也就没有了后来这么多的学科。

渐渐的，人们发现了许多规则，依靠规则，辛勤劳动，取得了许多的成绩。但人是生物，生物并不适合每时每刻都劳动，比起操纵世界的狂想，有人能替自己干活，成了一些人的新追求。有人选择利用势力使自己成为奴隶主，而有些人没有势力，但是他还打算省点力气。

此时，一个想法出现在他脑海里，能不能制造一个像人一样的东西呢？没有人使唤，我就自己造一个机器仆人。

一位天才在纸上写下了第一个设计结构，从而制造出了第一个自动装置，比如漏壶，指南车，但这项技术的缺点就是设计太复杂，要很多天才想法，普通人既没有实力也没有那么高的智力，所以尽管自动装置出现很早，他并没有引来全球性的变革。

就这样，自动化思想一直在人们心中延续下来，只不过它和操纵世界一样，是那样的遥不可及。

这一等就是一千年。

随着工业革命，设计精巧的机械从某些学派的独门秘术走向了人们的生产和生活，那些几百年前可以被视为神迹的机器在工业革命中被大量制造，其中也少不了自动装置。

物理学家从书房中走出，偶然发现了这些自动装置，比起常人的惊叹，他们则更多的思考这些装置到底是因为什么原理，就是这看似偶然的一个想法，一个新学科的大门开始敞开。

通过对古代机械设计图纸的分析，物理学家很快意识到，在繁杂的机械结构下面，隐藏着一个古代能工巧匠经常利用，但没有出现在任何一本理论书籍上的奥秘，反馈。

利用反馈的观点和深厚的数学功底，物理学家们很快破解了古代自动机械的奥秘。

他们又接着将反馈应有于其他过程，初步整理出来了系统的设计方法，控制技术大门敞开了一半。

随着工业革命的不断深入，技术的不断发展，自动装置变得越来越复杂，一直到了第二次世界大战。

二战时，美国军方提出了自动防空火力系统的需求，对于这个系统来说，由于操作复杂，需要精准判断，人力已经无法完成，这与之前的自动装置有着很大的区别，因为之前的自动装置是在完成人类也能够完成的工作。

战争结束后，该系统的主要设计者维纳陷入了深思，古代自动装置利用反馈来减轻劳动自己设计的防空火力系统，使用反馈来完成人类完不成的动作，那么，是否可以这样想，我们工作的本质不就是造出一个类人甚至超人的机器吗？

维纳敏锐的意识到一个新学科要来了，从行为智能反馈信息等方面入手，写成了他最著名的一本书，控制论，在动物与机器中通讯与控制的科学。

正是由于这本书使得控制科学的大门完全敞开，同时也打开了人工智能的行为主义学派的大门。

也正是从这时起，制造出全方位模仿甚至超越人类自身的机器，成为了控制科学的长期追求。

控制科学作为一门方法学科，有些研究高深到了哲学领域，而为了控制论更好的服务于工业生产，一位拥有工程背景的杰出科学家站了出来，那就是工程控制论的作者钱学森，控制科学与工程的结合也诞生了自动化专业。

控制科学作为一门研究使用当前时代的最先进的技术手段来制造类人机器和超人机器的学科，它对人类的模仿程度逐渐加深，从模仿能工巧匠操作，到模仿生产团体的配合，再到模仿人类组织的通信和智能，控制科学的研究领域在不断的加深，而一个重要的特征是，它总是和最先进的技术站在一起。

如果说仿生学侧重于对人类和动物身体结构的模仿，那么控制科学的主要目标是为了模仿人类的灵魂。

我们传承于古代能工巧匠的天才设计，我们追求使普通人也能了解掌握和超越那些古代天才的设计，利用现在的最先进的技术为我们的生活服务。

有人说，自动化专业是设计生产线的，没什么大用，我们想说的是，基本生产线，它是自动化的一个阶段，但自动化不是固步自封，不是一成不变，以往的自动化关注点在于怎样模仿？个体怎样模仿单独一条线？在现在这个即将万物互联的时代，自动化与人工智能技术可以深度融合，共同为制造出能和人类团结协作相媲美的现代化，智能化机器而努力，以更好的姿态，改变日常的生活。

如果你对于先进技术和实体器件相结合的智能产品，类人甚至超越人的智能机器这个领域比较感兴趣，那么，控制科学将是一个不错的选择。面对时代的洪流，每个专业都有自己的坚守，而我们的坚守，就是一直与最先进的技术站在一起。

世界上没有任何一门特定的技术会被一直称为自动化技术，自动化专业，自诞生之日起，就是一门使用先进技术来实现自我目的的专业，我们也诚挚的欢迎来自不同领域的研究者加入这个阵营，为研究智能机器而共同奋斗。人们需要脚踏实地，但在迷茫不解的时候也需要适当的仰望星空。

1.2、从对比中了解自动化专业的定位

很久之前，在宇宙国的一个角落里，有一个叫做地球的居民小区，小区里有一家叫做机械工程的商铺，主要售卖各种工具。机械工程商铺经过无数年的发展，产品不断更新换代，一直过着旱涝保收唯我独尊的舒坦生活。

也许是闪电刺激到了某些年轻人，有一天机械工程商铺的老板打开门，等了半天也没见有顾客。不对吧？往常都是排老长的队的。老板带着疑问跑到小区门口一看，才发现不知道什么时候来了一家新店，一位年轻人在门口喊着，欢迎大家来到我们电子工程商铺。看着日趋减少的客流，机械工程商铺与电子工程商铺展开了互掐。

就这样斗了几年，结果发现，谁也没办法将对方彻底消灭。于是双方不约而同想到合作，联合成立了一家名为机电工程的新店，这引发了双方老员工的不满，双方的一部分老员工拒绝合并成立了传统机械工程商铺和电气工程商铺。

为了更好的适应合并需要，机电工程商铺联合一些技术人员成立了产品研发部，开发了许多控制模块。

为了便于机电结合，一些技术人员联合数学家成立了控制理论部，负责研究控制方法。

此时居民小区内部爆发严重冲突，需要分析处理许多数据，为应对新的需要，产品研发部设计了计算数据的计算机。在冲突中取得不错的成绩。

控制理论部设计了许多应用于冲突的新武器。

冲突最终结束，在进行总结时，产品研发部负责设计计算机的工作人员提出，计算机应用很多。不能局限于机电工程，这部分技术人员脱离了机电工程商铺，出去自己成立了计算机工程商铺。

随着产品越卖越多，系统越来越复杂，有不少顾客去控制理论部咨询怎么设计方案，控制理论部部分人士也脱离了机电工程商铺，成立了控制方案咨询中心。负责各种产品的组合与总体设计。

此时的小区里，由一家机械商铺，发展到了传统机械，电气，机电工程，计算机四大商铺和一个控制方案咨询中心。

他们在各个领域合作，也存在着竞争，主要有:

①机电工程商铺设置了要把传统机械商铺合并的战略目标。传统机械商铺市场不断缩小。

②电气工程商铺学习各种技术，能源领域一家独大。暂时没有可取代的店。

③计算机与机电工程合作发展，软件硬件分工合作。简单的软硬件综合系统方案已经实现自己设计。

④控制方案咨询中心意识到一些简单系统的方案咨询业务已经归于计算机与机电工程两家，为了维持生存空间，提出专做复杂系统大系统方案设计的目标。近年来与计算机商铺合作，推动了新产品新方案人工智能的大卖，受到小区居民一致好评。

如今，小区内一片欣欣向荣之象，偶尔会听到“

人工智能是我控制中心提出的概念，属于我！

胡说！我用计算机语言实现的，该归我！

闭嘴，要没有我机电工程商铺的镇店之宝芯片，你能实现？所以这人工智能之父的名字。。。

没错，属于我们数学家！”的吵架声。偶尔还有撕打。

故事讲完了，相信大家对于这些专业怎么来的也有了一个模糊的认识，下面来具体对比一下：

①自动化与计算机

计算机的课程体系，主要是各种算法的实现，从本质上讲就是学习如何更好的使用计算机这一人类伟大的发明。该专业主要关注点在于编写程序和综合软件，很少涉及硬件的实现，在当今的人工智能行业，纯软件的人工智能的业务是由计算机专业主导的。

相较于计算机，自动化的特点在于不仅关注软件设计，同时关注硬件，讲求软硬结合。这一点决定着自动化专业往往倾向于在编程基础上从事实体的开发，这一点是计算机专业所不具备的。

②自动化与电气

虽然大家经常混淆自动化与电气，但是在本质上他们的区别比较大，电气的主要功能是供配电，而除去发电厂不算，其他工厂电力供应是控制领域最不关注的点，大家基本上默认大型电力部分已经做好了。所以不做比较。而且对于强电的活来说，属于弱电的自动化毫无优势。

③自动化与机械或者电子

对于机械类，主要研究的是机械结构的设计，材料的选取，关注点在于力学和结构。电子控制只是其中的一小部分。而且控制理论的深度也不如自动化。电子类同理

④自动化与应用数学

为什么提到应用数学，因为深层次的控制论几乎是纯数学，理论基础比工科的自动化要好的多，但是缺点在于实践能力较差。

综上所述，自动化的独特优势在哪，两点，软硬结合，控制理论与生产实际结合。因此可以得出一个容易理解的定义：

自动化是一门研究数学及现代技术综合应用，以设计综合软硬件系统为目的的新兴学科。

1.3、自动化专业培养目标

上一节里初步介绍了自动化专业的概念，本节继续深入，介绍培养目标和专业方向

自动化专业是以数学与自动控制理论为主要理论基础，以电子技术、计算机信息技术、传感器与检测技术等为主要技术手段，利用各种自动化装置分析与设计各类控制系统，为人类生产生活服务的一门专业。

本专业讲求计算机硬件与软件结合、机械与电子结合、元件与系统结合、运行与制造结合，集控制科学、计算机技术、电子技术、机械工程为一体的综合性学科专业。它具有"控（制）管（理）结合，强（电）弱（电）并重，软（件）硬（件）兼施"鲜明的特点，是理、工、文、管多学科交叉的宽口径工科专业。

（1）培养要求

该专业学生主要学习电工技术、电子技术、控制理论、自动检测与仪表、信息处理、系统工程、计算机技术与应用和网络技术等较宽广领域的工程技术基础和一定的专业知识，具有自动化系统分析、设计、开发与研究的基本能力，综合素质高，具有坚实理论基础和创新能力。

（2）主要课程

电路、信号与系统、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、现代控制理论、微机原理及应用、软件技术基础、电机与拖动、电力电子技术、计算机控制技术、系统仿真、计算机网络、运动控制、过程控制、单片机与嵌入式系统原理、计算机辅助设计、专业英语、智能控制，计算机编程C语言，C++语言。

对于专业方向，这里做简单介绍：（就业部分详细展开）

（1）工业控制方向：

以自动控制、计算机技术为支撑，针对实际工业生产过程实现自动控制，由信号检测与变换、过程控制、计算机控制系统、智能控制和现场总路线控制技术等组成方向主干课。

（2）硬件应用方向：

主要利用各种现有硬件和成熟的设计模块等技术设计消费电子类产品，主要涉及到各类嵌入式硬件的学习和练习。

（3）嵌入式算法方向：

比硬件应用方向更加贴近底层，比较类似于计算机算法岗，重点在于各类硬件的驱动，是嵌入式的核心所在。主要负责嵌入式驱动算法的开发。

（4）智能算法方向：

以信息处理与模式识别的理论技术为核心，以数学方法与计算机为主要工具，研究对各种媒体信息进行处理、分类和理解的方法，并在此基础上构造具有某些智能特性的系统；由计算机编程语言、机器学习算法、模式识别导论、应用统计学组成方向主干课。