控制类收藏夹分享 http://blog.sciencenet.cn/u/lugh56

博文

自动化学科:寻找可控万物之法 精选

已有 3825 次阅读 2022-3-31 15:36 |系统分类:科普集锦

文 青岛大学 赵兰浩


随着技术的不断革新,无数富有技术含量的产品如智能手机、手表、智能车辆等走入千家万户,不断丰富和改变我们的日常生活。对于富有探索精神与求知欲望的青少年朋友,往往并不满足于仅仅使用这些新奇物件,而是打算进一步探索内部机理,尝试按照自己的想法实现一些简单的目标,进而选择这项事业作为长期的爱好与追求。


面对这一需求,我们的先辈们设立了许多学科门类,用来培养新一代的科技人才。其中大部分学科从名字上就可以大体把握,比如计算机专业、机械工程专业、电气工程专业等,新人们很容易与初、高中所学的知识体系对接上,但有那么一个专业,似乎并不是那么好把握,那就是:自动化专业。大概每一个选择大学专业的新人翻到“自动化”这个名字,或多或少都有疑问,这个专业是做什么的?好奇者往上翻了翻一级学科目录,一看“控制科学与工程”则更加迷茫,控制些什么呢?自动化学科又在做些什么呢?今天就来聊聊这些对于新人来说有些迷惑的问题,请各位看官批评指正。



一、过去:好奇心驱动着我们出发


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。


操纵万物的伟大探索是从模仿开始的,作为需要休息的生物,人们首先想到了是否可以利用外物模仿自己的行为达到减轻体力劳动的目的。天才设计者们在纸上画下了第一个设计结构,成功制造出了第一批自动装置,比如漏壶,指南车,但这项技术的缺点就是初期设计太复杂,要很多天才想法,所以尽管自动装置出现很早,它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。


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,他们则更多开始系统性思考,这些装置的出现到底蕴含着什么原理,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,出现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,仅靠人力已经无法完成,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,我们所在从事的事业,是否就是在利用最新的技术进展和前人总结的控制原理,给出一个个调控方案,逐步实现对于万物的操控。简单来说,是否是在寻找可控万物之法?


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,寻找可控万物之法,成为了自动化学科的长期追求。



二、现在:学科体系的一张地图


敲开控制科学的大门,映入眼帘的是各种带有“Control”的名词,而且随着学习的深入,会变得越来越多。让人不禁困惑,我们的研究到底推进到了什么地方,我们的知识宝库又积累了哪些工具?


对于这个问题,我们于2019年到2021年进行了一系列的科普图片绘制工作,以下是一个最新版本,供各位读者批评指正。更多版本可以参考《图解控制理论》系列工作[1]。


系统与控制地图.png


这张图清晰表明,如果从麦克斯韦《论调节器》发表开始算起,走过了150年光辉岁月的自动化学科知识宝库,积累了如此丰富的研究成果,我们正在不断接近找到可控万物之法。



三、未来:交叉学科的独特魅力


最近几年,交叉学科这个词越来越多的出现在我们的视野之中,回顾系统与控制科学的发展历史,我们可以认识到,自动化学科的发展,本身就是学科交叉的产物。而如果总览自动化学科的知识宝库,这一结论则更加显然了。没有数学、机械工程、电子工程、计算机信息技术的蓬勃发展,就没有自动化学科如此丰富的今天。


自动化学科到今天有着光辉的150年历史,这是每一个自动化学科研究者的荣光。站在2022年的今天,我们也需要适当的展望未来,古人云:以史为鉴,可以知兴替。学科发展的历史经验表明: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,自动化学科,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,为寻找可控万物之法而共同努力。


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。


*注:[1]【科普向】图解控制理论:https://zhuanlan.zhihu.com/p/146459377



作者简介


赵兰浩

中国自动化学会普及工作委员会委员


赵兰浩,中国自动化学会普及工作委员会委员、中国自动化学会“智向未来”自动化与人工智能科普百人专家团成员。2018年获山东科技大学自动化专业学士学位,青岛大学系统科学专业理学硕士,主要研究方向为多智能体系统与复杂网络,业余时间从事自动化领域科学普及工作,在知乎网、今日头条等平台以“系统与控制”为名发布科普文章一百余篇,其中《图解控制理论》系列等工作受到广泛关注。


科普作品简介:

对于新人来说,自动化专业及其所属的一级学科:控制科学与工程 往往会造成困惑,本篇文章结合我们之前所做的科普图片,以新人的视角来解释这些名词的含义,浅论自动化学科的过去现在与未来,以期帮助新人更好把握自动化学科基本内涵,为选择发展路线提供一定参考。


原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s/t-C--lVamgyQc4LwsZRzhw



https://wap.sciencenet.cn/blog-3387802-1331861.html


下一篇:图解控制理论
收藏 IP: 112.6.124.*| 热度|

6 罗春元 胡大伟 黄永义 雷蕴奇 杨正瓴 王林平

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (2 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2022-10-7 03:48

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部