自动化，即在没有人参与的情况下，对一个对象进行控制，让控制对象按照预想的方式工作。这个对象可以是一个建筑物的配电系统，高效率地控制和监测电力系统，优化性能和降低成本；也可以是一个导弹拦截系统，准确跟随目标和快速追踪……目前自动化技术已广泛应用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等领域，从无人驾驶的航天飞船，到智能冰箱的温度控制，再到微创手术的拟人机械，自动化技术为这些行业提供了高科技带来的便利。现在，自动化技术已从办公自动化、工业自动化逐渐向家庭自动化发展^[1]。

一、发展历程

（一）自动装置的出现和应用

自动化的概念起源于最早的自动控制，而最早实行自动控制的自动装置可以追溯到公元前，如我国古代发明的指南车、漏壶、候风地动仪；古埃及和希腊发明的教堂庙门自动开启、投币式圣水箱等自动装置：17世纪以来的近代自动装置有荷兰机械师C．惠更斯发明的钟表、俄国机械师波尔祖诺夫发明的保持蒸汽锅炉水位恒定的浮子式阀门水位调节器^[2]。

（二）自动化技术形成时期

18世纪末到20世纪30年代，是自动化技术形成时期，应用自动控制的方法来代替人工控制各种机械设备，是人类发展史的一大创举；随着社会发展，自动控制引入到各种机械设备逐渐增加，但对自动化的大量需求是始于工业革命时期。英国机械师J．瓦特于1788年发明蒸汽机，同时又发明了离心式调速器，并把它与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动凋速系统^[2]。

（三）局部自动化时期

20世纪40——50年代，是局部自动化时期。在第二次世界大战期间，针对防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种自动调节装置、控制装置用于解决局部问题，开创了防空火力系统和控制这一新的科学领域。这个时期主要是经典控制理论的形成和发展时期^[2]。

（四）综合自动化时期

20世纪50年代末起至今，是综合自动化时期，主要包括2个方面内容：一是现代控制理论形成；二是现代控制理沦的发展和应用。

20世纪50年代中期，工业生产过程朝着大型化、连续化和自动化方向发展，特别是空间技术和各类高速飞行器的发展，要求控制高速度、高精度的受控对象，使得控制系统更加复杂，要求控制理论解决多变量、非线性和时变系统的设计问题。此外，对控制性能的要求也在逐步提高，很多情况下要求系统的某种性能是最优的，而且对环境的变化有一定的适应能力等。这些新的控制要求用经典控制理论难以解决，因此迫切需要建立新的控制理论和方法。

对于控制系统的描述和求解问题，现代数学、物理和力学等学科的发展成果已为此奠定了基础；20世纪50年代后期，迅速发展的计算机技术，使人们摆脱了计算量大、计算复杂的束缚，有可能对复杂控制系统作深入研究。20世纪70年代，微型计算机的发展及显示技术和通讯技术的发展，实现了计算机直接参与控制，从根本上改变了现代控制系统面貌，极大地促进了现代控制理论的发展和自动化技术发展^[2]。

二、相关术语

（一）系统

系统是指由若干称为子系统相互依存和相互作用的部分，为达到某些特定目的所组成的完整综合体。系统的性能主要取决于各自系统的配合与协调，还依赖于环境、人与系统的互动关系。缺乏有效的协调与控制，系统甚至无法正常运行，更谈不上有好的性能^[2]。

（二）信息

信息是指符号、信号或消息所包含的内容，用来消除对客观事物认识的不确定性。信息普遍存在于自然界、人类社会和人的思维之中。早在1948年，信息论的创始人C.香农把信息定义为信源的不定度。即对信宿而言，未收到消息前不知道信源发出的是什么信息，只有收到消息后才能消除信源的不定度。这里，消息是信息的载体。1950年，控制论的创始人N维纳认为，信息是人们在与客观世界相互作用过程中与客观世界进行交换的内容的名称，这里交换的还是消息或信号^[3]。

（三）控制

控制是指为某种规定的预期目标，而对过程变化施加的干预。控制和自动化是两个密切相关但不完全相同的概念。从自动化定义可知，自动化与“机器设备、过程或系统等具体物理对象”的“自动”运行密切相关，脱离了具体物理对象谈自动化是毫无意义的。。一般说来，自动化主要研究人造系统的控制问题，应用的范围比较窄。控制是人们为实现所要达到的目标而采用的方法与手段。控制可以与具体物理对象相联系，如设备的运动控制、生产过程控制等；也可以和非物理对象相联系，如人口控制、经济控制、社会控制、生物控制等^[2][3]。

（四）反馈

反馈是指将系统的实际输出和期望输出进行比较，产生偏差，从而为控制器确定下一步的控制行为提供依据。若反馈信号（系统实际输出）与系统输人信号（期望输出）相减，则称为负反馈；若相加，称为正反馈。一般情况下，控制系统采用的是负反馈。实际上，反馈是一切自然系统、生物系统、社会系统的普遍属性，反馈的过程是信息传递的过程。反馈控制是一种最基本的控制方式^[2][3]。

（五）调节

调节是指通过系统的反馈信息自动校正系统的误差，使一些参数如温度、速度、压力或位置等，在一定的精度范围内按照要求的规律变化。调节须以反馈为基础，而控制则包括以反馈为基础的闭环控制和无反馈的开环控制^[2]。

（六）管理

管理是指为了充分利用各种资源来达到一定的目标，而对社会或其组成部分施加的一种控制^[2]。

（七）决策

决策是指为了获得最优方案，对若干准备行动的方案进行选择。随着工业生产过程规模的扩大和综合管理与要求的提高，使得自动化不但完成控制任务，而且还具有生产管理和经营决策的任务，即综合自动化。它所要解决的不是局部最优化问题，而是一个工厂、一个公司乃至一个区域的总目标或总任务的最优化问题^[2][3]。

三、自动化学科分类

目前通用的对自动化科学与技术学科自身的划分方法，大致可分为三大类：科学与技术完全分开的分类法、科学与技术一体化的分类法和混合分类法（即部分内容采用科学与技术分开法、部分内容采用科学与技术一体化法）^[4]。

（一）科学与技术完全分开

（二）科学与技术一体化

（三）混合分类法

1.国家自然科学基金委员会

2.第十四届国际自动控制联合会

四、方法论

反馈的方法——利用偏差进行控制的方法；

黑箱的方法——与传统的“解剖”分析方式不同，采取考察系统的输入、输出特性来从整体上把握系统的方法；

功能模拟方法——不考虑系统的具体形态(可以是机器、动物和人)，只考虑不同系统在行为功能上的等效性与相似性；

系统的方法——从系统的观点出发，从系统与其组成部分以及系统与环境的相互关系、相互作用中，综合考察对象，以达到最优处理问题的方法^[4]。

五、主要应用

（一）应用于航空与航天飞行器的制导和控制系统，如商用飞机、导弹、先进的战斗机、运载火箭和人造卫星等。在系统本身和外部环境都存在不确定性的条件下，这些控制系统跟踪整个飞行器使之稳定飞行，如用于军用和商用飞机中的自动驾驶仪。

（二）应用于从汽车到集成电路的各种制造业。不但由计算机控制的机器能够精确地定位和加工、制造、装配，而且涵盖了从市场预测、计划制订、产品设计一直到每一个具体设备的控制的各个过程，从而满足了零件和成品优质高产的需求。

（三）应用于化工、医药等连续工业过程控制系统。这些系统通过对成千上万的传感信号的监测和对数以百计的调节阀、加热器、泵和其他执行器进行相应的控制来实现高效优质生产。

（四）应用于通信系统，如电话和电报系统、互联网等。这些控制系统通过调整变送器和转发器的功率电平，管理网络路由选择器的缓冲器组，进行噪声自适应的消除，从而提供高质量的通信服务。

（五）应用于信息决策系统中，通过需求预测来动态分配有限的资源。

六、学科发展趋势

自动化学科发展到现在，除了已有研究的持续进展外，其研究热点主要表现在交叉学科的兴起上，以及在新时代情况下的具体应用上。在未来的一段时间之内，自动化学科的发展仍旧会持续这种态势。

在网络化控制的背景下，基于多代理系统的智能控制系统相较于基于客户机／服务器的网络化控制系统具有更好的自主性和移动性，能够有效解决网络化控制中灵活而复杂的问题，正在成为受到广泛关注的研究课题。可以预见，基于多代理系统的智能控制系统，将在国家网络安全监管和国家信息安全保障体系中发挥重要作用。

自动化在社会领域的重要应用体现在公共安全应急决策的理论、方法和技术，在经济和信息全球化高速发展的背景下，关于公共安全应急管理决策的研究正在得到国内外自动化领域学者越来越广泛的关注。

智能交通系统是解决目前城市交通拥堵、气体和噪声污染的主要途径，目前主要的研究领域集中在先进交通分配和出行诱导技术、城市高速路与普通路网集成交通控制、交通分配与交通控制一体化研究以及交通信息获取与服务系统的研制，人、车、路的信息、管理和控制的一体化正在成为智能交通系统力图实现的目标。

机器人技术是最为典型的自动化应用，它在工业生产领域、国防领域以及极端环境探测等方面均有广泛的应用。智能机器人的研究一直是国内外自动化领域的重点关注对象，它作为一个特定的应用领域同时涉及人工智能、模式识别以及图像处理等自动化领域中的核心科技。

在医疗卫生领域，远程医疗正在得到越来越广泛的关注。远程医疗包括远程诊断、远程会诊、远程医学教育以及远程手术治疗等方面内容。其中的远程手术对于患者具有更为实际的意义，这也在控制的精确度和实时性方面对自动化提出了更高的要求，国外在这一领域已有40余年的发展历史，而在我国却仍处于起步阶段，亟待发展。

计算机辅助设计是工业生产领域发展较为成熟的方面，它利用计算机和其他图形设备帮助设计人员完成设计工作，随着人工智能、模式识别和机器学习等技术的不断发展，完全由计算机完成而不需要人参与的计算机自动设计技术将成为自动化应用于生产设计领域的一个重要的发展方向。

近年来，随着材料科学、微机电技术以及精细加工等技术的不断发展，传感器技术向着微型化、智能化、多功能化的方向稳步发展，并出现了诸如生物芯片、微流体芯片、微内窥镜、红外辐射引导传感器、生物酶传感器、DNA传感器等先进的传感器。此外，无线传感器网络仍为近年的研究热点，但其大规模应用还有待时日，仍需更为深入的研究、应用和推广。

电子商务是指在开放的网络环境下，买卖双方不谋面地实现网上购物、网上交易、在线电子支付等商务活动和相关服务的一种新型商业运营模式。为了支撑电子商务快速高效的特征，其调度与控制理论与方法的研究已成为国际研究热点^[5]。