第5章 自动化（科学技术）学科、专业

如果一门科学学科是真正有生命力的，它的引人兴趣的中心就必须而且应该随着岁月而转移。

维纳，《控制论》

第5章 自动化（科学技术）学科、专业

PPT5: 第5章

自动化（科学技术）学科、专业

本章可称“初识自动化学科、专业”，回答什么是自动化学科、专业？分析(前3章介绍的)自动化与自动化学科、专业之间的关系。为此首先介绍引领自动化与自动化专业发展的自动化科学技术，剖析自动化科学技术与自动化的关系及自动化科学技术与自动化专业的关系，使读者对自动化学科、专业能有一个初步但比较完整、深刻的印象。

本章分成两部分。

第一部分4节介绍自动化科学技术。从科学技术研究、发展的角度，介绍自动化科学技术的定义、内容与核心概念及其在整个科学技术体系中的重要性。从科学技术的高度来理解：实施自动化需要强有力的自动化科学技术的支撑，自动化科学技术是自动化取得如此巨大成功与成效的源泉与基础；要大力发展自动化，首先要大力发展自动化科学技术(学科)。

第二部分3节介绍自动化（科学技术）学科、专业。主要从教与学的角度，介绍自动化（科学技术）学科的构成与分类、自动化学科与自动化专业的关系，理解自动化（科学技术）学科是研究、发展自动化科学技术的主体，自动化专业的主要任务就是学习自动化科学技术。

§5.1 自动化科学技术的定位

现代科学技术经过近二百年的发展，已构筑了比较完整的体系，形成了三个层次的知识（如图5.1.1所示），这就是：

（1）直接用来改造客观世界的工程技术或应用技术（Technology or Engineering Technology），如信息技术、自动化技术等；

（2）为工程应用技术直接提供理论基础和方法的技术科学（工程科学）或应用基础科学（Engineering Science or Applied Science），如信息科学、自动化科学等；

（3）揭示客观世界规律的基础理论——基础科学或自然科学（Basic

Science or Natural Science), 如数学、物理学、生物学等。

自然科学的使命是深入了解自然界(揭示自然规律)，而技术科学的使命是创立研发人造系统(如制造系统、能源系统、运输系统、通信系统以及服务、娱乐系统等)所必需的新原理。技术科学是有应用目标的科学研究，目的在于为工程技术提供科学基础。技术科学有别于工程技术本身，它致力于带有一定普遍性或共性的新原理和新技术的研究。

自动化科学 $ ^{①} $(Automation Science,简称 Automatics)是一门技术科学，起源于20世纪初，而20世纪50年代的《控制论》与《工程控制论》的问世标志着这门技术科学的基本成型。

自动化技术 $ ^{②} $(Automation Technology)是一门工程应用技术，发展历史要比自动化科学更长，但其获得广泛应用是在自动化科学基本成熟和计算机与通信技术普及之后。

按照现代科学技术分为基础科学、技术科学和工程技术的方法，自动化科学技术（Automation Science and Technology）在现代科学技术体系结构中的位置可用图5.1.2来描述。从源头上说，自动化科学的基础理论来自于物理学等自然科学和数学、系统科学、社会科学等基础科学；而自动化技术的发展理论又直接来自自动化科学以及信息科学、运筹学等其他技术科学。

自动化科学定位为一门技术科学。目前自动化科学公认的理论基础是简称为“三论”的维纳(Wiener)的《控制论》、贝塔朗菲(Bertalanffy)的《系统论》与香农(Shannon)的《信息论》。自动化科学研究的基本任务是为自动化技术(包括设计、制造、控制和管理计算机集成制造系统CIMS、计算机集成过程控制系统CIPS等先进自动化系统)和控制工程(包括控制航天器这样的设备)提供科学理论基础，它致力于带有一定普遍性或共性的新的控制原理和新的系统方法的研究，使其在实际控制工程和自动化技术中发挥创新的作用。

作为一门工程应用技术，自动化技术的作用是在自动化科学与自动化应用之间架起桥梁。一方面将自动化科学原理与方法转换为工程实用技术（包括工具和手段），使得能应用于工程实际，将自动化科学的研究成果迅速转换为生产力；另一方面将工程实际中遇到的技术问题提炼、抽象成为科学问题，为自动化科学研究提供新的研究对象。

从信息、能量与物质的角度，形象地说，自动化科学研究的是物质世界的信息运动规律和信息的有效处理方法，自动化技术研究的是如何应用有效的信息处理方法来促进能量与物质（如能源、材料和环境资源、人力资源等）的有效利用，从而为现代社会发展提供物质的保证。

§5.2 自动化科学技术的基本内容与核心概念

自动化科学技术是自动化的源泉与基础，其物化是自动化设备与系统（硬件和软件），其应用包括自动化设计、自动化制造、自动化工程、自动化管理、自动化决策、自动化运行等。因此，分析自动化科学技术的基本内容与核心概念宜从自动化设备着手。

自动化始于用机器实现各种自动进行的操作。从最初的控制机器、设

备到控制过程(大到整个化工过程、制药过程、炼钢过程等)、控制系统(大到整个汽车制造系统、交通运输系统、通信系统、经济系统等)，自动化科学技术的发展一方面提高生产力和促进科学技术、社会经济、国防军事的全面发展，另一方面把人从繁重、危险和重复、可程序化的工作中解放出来，以从事更具创造性的劳动。

完成对机器、设备及小型过程、系统的自动操作的控制器，从控制原理 $ ^{①} $上看，最初是开环直接控制的，以后大多数是闭环反馈控制的，最初基于经典控制理论，以后基于现代控制理论、先进控制理论等；从控制方式（工程实现）上看，最早是机械式的（如瓦特发明的蒸汽机离心式调速器），以后经历了模拟电子式、数字电子式，直到目前的数字计算机式的自动控制器。

而对大型复杂过程、系统的控制（包括优化、管理等），由于其结构、层次的高度复杂性及与人、环境的相互交互的复杂性，除了以上的基本控制以外，需要额外的（往往是新的）协调和控制方法、手段。这正是维纳在其《控制论》中明确地指出的，控制论是这样的一门新的学科，其研究对象是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质以及整个系统的总的运动状态。

由此可知，自动化的核心是控制与系统。 $ \underline{\text{控制}} $与系统不但是自动化科学技术与其他科学技术最大的不同点，更是自动化科学对其他许多科学技术发展所作的重要贡献所在。

而控制的核心概念是反馈。前几章已介绍，反馈控制（如图5.2.1所示）的原理是，将检测出的实际输出与期望输出相比较，根据误差计算出控制量，通过执行器控制工作对象，使实际输出向期望输出逼近。反馈控制的过程是重复的、实时的，一直到实际输出等于期望输出。反馈控制的作用，就是使原来误差很大甚至不能稳定运行的工作对象，能实现动态稳定运行，并具有对新的期望输出的快速响应能力、对干扰的有效抑制能力。

作为自动化技术的主要实现手段，目前大多使用数字计算机或微处理器来完成控制要求的计算、通信与各种信息处理，并采用大量的传感器来获取各种信息（参见第3、4章）。一个采用计算机控制的典型自动化系统如图5.2.2所示（参见图3.4.4），除了检测、计算和执行三个基本部分外，需要A/D、D/A转换与网络通信（连接控制计算机与现场）。整个系统中的不确定因素主要有噪声、外部扰动以及对象本身的未知特性，其中噪声主要作用在检测和执行这两个子系统中，外部扰动则作用在被控对象上。

图5.2.2所示的计算机控制结构图实际上也是一个典型的负反馈闭环控制图。为容易看出它的反馈结构，将它重画成比较标准的图5.2.3。在图5.2.3中，将原计算机实现的功能分成为了两部分，信号处理部分与控制器部分。

为了使被控对象（一台机器、设备或一个系统、过程）在外部扰动作用下、甚至在不确定或者变化的环境中（如室外作业的移动机器人面临的环境）能自动保持必要的功能以达到预定的控制目标，控制系统必须从外部环

境中通过检测器不断获取各种信息，并运用各种自适应的甚至是智能的方法对这些信息进行信号处理和综合分析，从而做出判断和决策，进而通过执行器对被控对象进行实时控制。

由此可见，随着被控对象自身与所处的内外部环境的复杂程度的提高，以及随着被控对象规模的不断扩大，对系统的控制能力的要求越来越高。这不仅要求自动化科学提供各种有效的新的控制原理与系统处理方法，而且要求自动化技术提供相应的可实现的新的技术与手段。

作为自动化技术的主要实现手段，目前绝大多数使用数字计算机或微处理器来完成控制要求的计算、通信与各种信息处理，并采用大量的传感器、执行器来获取各种信息和完成各种复杂的操作。随着电子技术的发展，检测、计算和通信这些电子技术的成本出现了大幅度下降（其中通信技术尤为明显），但用于处理复杂性的成本却还在不断地上升。图5.2.4给出了这几种技术在自动化应用中的成本/性能曲线在刚过去的10多年内随时间的发展趋势 $ ^{①} $。

控制问题的复杂性包含了几方面复杂性的综合，尤其是当控制论的概念、原理与方法被用来处理社会、经济、人口、环境等复杂系统的分析与控制时，情况更为突出：

（1）被控系统的复杂性——大规模、非线性、多层次、不确定性、人机交

互等：

（2）控制问题本身的复杂性——全局和子系统之间的目标分配、多目标优化问题、性能与成本的综合考虑等；

（3）系统环境的复杂性——噪声和干扰、不确定与未知环境、环境的不断变化等；

（4）控制器的复杂性——传感器、执行器、计算机和网络本身的复杂性及其失效问题的复杂性，以及人参与控制产生的影响等。

这明确地表明，随着系统规模的扩大，系统的复杂性明显提高，系统内部之间的协调——控制的重要性越来越突出，这就意味着需要有新的协调和控制方法，这为自动化科学技术的进一步研究指明了方向与 $ \underline{\text{潜在}} $的价值、效益。

系统指的是由若干称为子系统的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子系统间的配合与协调，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。由此可看出，系统及其复杂性概念在自动化科学技术中是何等的重要。

图5.2.5、图5.2.6与图2.3.7分别给出了有代表性的机器人、连续生产过程自动化与离散制造工业的集成自动化系统的结构框图。从图5.2.5可以看出，即使对于一个单一的自动化机器——机器人，其内部就相当复杂。而从图5.2.6可看出，连续生产过程自动化可以说是许多技术的集成自动化。图2.3.7给出了计算机集成制造系统CMIS的著名的递阶控制结构图，分成工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层五层，每一层又可分解为多个部分，构成树状结构，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。并且，随着系统的不断扩大，综合性能与效益可进一步地提高。

总而言之，自动化早已超越古老的研制自动机器替代人类劳动的概念，自动化科学技术研究的是如何通过用各种技术工具延伸人的信息获取、处理和决策控制的功能，来促进能源、材料和环境资源、人力资源等的有效利用，提高生产水平和人类生活质量。当前自动化科学技术急需研究解决的是如何应用信息来处理高度复杂的系统的控制问题，从而具有更大的挑战性和潜在的经济效益，同时也明确地指出了自动化科学技术的核心是信息、控制与系统，其中控制是核心的核心。

5.3 自动化科学技术的特点

一、 自动化科学的特点

从自动化科学在现代科学技术体系结构中的位置可看出，其基础理论源自于物理学等自然科学、数学、系统科学和社会科学（见图5.1.2），其中系统科学和社会科学对自动化科学的发展所作的贡献有它的必然性。

最初，控制理论主要应用于控制被控系统的物理特性，比如一幢建筑的热学特性、一架飞机的飞行力学特性、或是磁盘驱动器的跟踪特性；随后，需

要控制的大型系统和网络的规模和复杂程度已大大地超出了控制的传统应用范围，研究的重点也从系统的物理学特性转变为系统的复杂性。与此同时，（工程）控制论的概念、原理与方法被用来处理社会、经济、人口、环境等复杂系统的分析与控制，并形成了社会控制论、经济控制论、人口控制论等学科分支。而要真正解决这些复杂的社会、经济、人口、环境等问题，不仅需要按系统科学的方法，还需要遵循社会科学的原理。实际上，随着自动化能处理的系统的规模和复杂程度不断提高，人与自动化系统的交互机会也越来越多、越来越复杂。同时，科学家与工程师们也逐渐认识到，无人的自动化系统并不是最理想的系统，人与自动化系统的有机组合才能发挥最佳的作用。正是由于不容忽视人在系统中的作用，所以社会科学对自动化科学的发展的影响才逐渐凸显出来，并做出了贡献。

通过以上分析，可以得出自动化科学的如下四个特点，即，

1. 自动化科学的数学属性，严密的理论特征

一方面是因为自动化科学是具有最坚实数学基础的技术科学之一，另一方面是由于从事控制与系统科学研究并做出主要贡献的大多是（应用）数学家，这在欧美国家中尤为突出。

2. 自动化科学的对象特性，鲜明的改造世界的特征

首先自动化科学提出的问题都有明确的背景，来自于实际需求；其次，自动化科学研究问题的目的是改造世界

3. 自动化科学的系统与社会属性，系统的复杂性特征

自动化科学研究解决的对象(机器、设备、系统、过程乃至生物)越来越复杂、越来越接近于系统科学与社会科学处理的对象，同时人在系统中的作用已不容忽视。

4. 自动化科学的渗透与扩散特性，普遍适用特征

自动化科学研究的是带有一定普遍性或共性的对象，目的又是为了改造世界，因而自动化科学的原理与方法有强的渗透与扩散特性。

从自动化科学的前三个特点可看出，从事自动化科学研究的人，既要有理论，又要懂对象，更要有系统的观念，三者缺一不可。而自动化科学的第四个特点指出，把自动化科学中的基本原理与方法应用到其他科学、技术与工程中，是从事自动化科学研究的人员的义不容辞的职责。

二、 自动化技术的特点

自动化技术的发展历史要比自动化科学更长。当自动化科学还远未成熟之前，由于实际应用的需要，在物理学、数学等理论支持下，自动化技术已得到不断的发展并在许多领域得到应用，典型的例子就是1926年美国就已

建成汽车底盘自动生产线。但其获得快速发展和广泛的应用是在自动化科学基本成熟和信息技术普及应用之后。

在自动化技术的发展过程中，除了自动化科学起了重要作用以外，许多其他技术学科都起了重要作用（见图5.1.2），其中突出的有信息学、机械工程学、电机工程学、航空和航天工程学、化工学和运筹学等 $ ^{①} $。这使自动化技术逐步发展成为一门系统集成技术，包括设计自动化、制造自动化、管理自动化、决策自动化、运行自动化等，成为一门多学科交叉的高技术，是当代高技术的集中体现与应用。

作为一门工程应用技术，自动化技术有以下三大特点：

1. 自动化技术的桥梁作用

可从以下两方面来认识。

（1）从科学、技术、工程的角度，作为一个工程应用技术，自动化技术的作用一方面是将自动化科学原理与方法转换为工程应用技术，另一方面将工程实际中遇到的技术问题提炼、抽象成为科学问题，为自动化科学研究提供新的研究对象；

（2）从信息与能量、物质的角度，自动化技术的作用是如何有效地利用信息来促进能量与物质（如能源、材料和环境资源、人力资源等）的有效利用，从而为现代社会发展提供物质的保证。即自动化技术是信息与能量、物质之间的桥梁。从这一意义上，可理解为什么常说“自动化技术是工业化与信息化之间的桥梁”。

2. 自动化技术的使能作用

自动化技术是一门使能技术（“催化剂”和“发动机”），单独存在无法凸现其价值，而一旦应用于具体对象（一台设备、一个系统或一项工程），将使对象发生质的变化（稳定可靠运行、大大提高效率、大大降低能耗成本等）的重要工程应用技术。将自动化技术应用于具体对象，如设备、系统或工程，使成为自动化设备、自动化系统或自动化工程。

3. 自动化技术的系统集成作用

基于自动化技术的“控制”与“系统”的理念，人类能有效控制的对象越来越多、规模也越来越大。通过“综合”与“集成”，大型复杂系统、过程或工程逐步能被人类有效地控制与管理。随着系统、过程或工程的规模越来越大、越来越复杂，自动化技术的系统集成作用将越来越凸现。

§5.4 自动化科学技术与信息科学技术的关系

信息科学与信息技术的定义与内容至今未有统一的定论。按比较流行的说法，信息科学的理论基础 $ ^{①} $是简称为“三论”的香农（Shannon）的《信息论》、维纳（Wiener）的《控制论》和贝塔朗菲（Bertalanffy）的《系统论》；信息技术的主干技术则包括信息获取、信息传输、信息处理与信息应用四部分（如图5.4.1所示）。

最早对信息进行科学定义的是哈特莱(Hartley)，它在1928年发表的“信息传输”一文中，首先提出信息的概念。1948年，控制论的创始人维纳在他的著名的《控制论》中，首先指出：“信息是信息，不是物质，也不是能量”，首次将信息上升到与物质、能量同等重要的地位，成为当今公认的物质世界的三大支柱、科学历史上三个最重要的基本概念。同年香农在他的俗称为《信息论》的《通信的数学理论》一书中将信息定义为“事物运动状态或存在形式的不确定性的描述”。

信息科学技术的崛起，标志着科学技术发展史上一次伟大的革命。传统的科学技术一直是以物质与能量为中心，没有信息的观念。信息与物质、能量三足鼎立，就形成了构造世界的完整结构。正像人，不但有了强健的躯体、充满活力，而且有了知识与智慧。这样，人就彻底地脱离了进化的初级状态，真正成了万物之灵。

根据技术本质和技术链，将信息技术分为图5.4.1所示的信息获取技术、信息传输技术、信息处理技术与信息应用技术四部分比较合适。

我们知道，技术是人类在认识和改造自然的实践中为了增强自己的力量，赢得更多更好的生存发展机会而产生和发展起来的。一种技术，尤其是功能性技术总是在某种程度上直接或间接地延长或扩展了人的某种器官的某种功能。因此，从技术本质的意义上来看，信息技术就是能够扩展人的信息器官功能的一类技术。根据人的信息器官的划分，信息技术可分为信息获取技术（对应人的感觉器官）、信息传输技术（对应人的传导神经网络）、信

息处理技术（对应人的思维器官，包括记忆、联想、分析、推理、决策等）与信息应用技术（对应人的效应器官，包括操作器官——手、行走器官——脚和语言器官——口等）四部分。

从信息的角度，一个基本的自动化设备至少包含信息获取、处理与应用三部分（如图5.4.2所示），而一个应用计算机网络或通信网络的自动化系统包含信息获取、信息传输、信息处理与信息应用，即自动化技术涉及信息技术的全部 $ ^{①} $。从一种技术能扩展人的某种器官功能的角度，这是不难理解的。如人用手抓东西这一简单的动作（更不用说人完成魔术表演这样高难度的动作），就得运用人的感觉器官、传导神经网络、思维器官和效应器

官（操作器官），对应着信息获取、传输、处理与应用的全部。

自动化技术与信息技术所以有如此密切的关系，实际上一点也不奇怪。我们知道，信息科学的基础是《信息论》、《控制论》与《系统论》，而自动化科学的基础是《控制论》、《系统论》与《信息论》，之间的差别仅仅是排列顺序与重要性有所不同。

自动化科学与信息科学的同根、同源现象绝不是偶然的。实际上，系统论、控制论、信息论、相关的决策与博弈论以及计算机算法和体系结构等作为一个学科群的基础理论均是在20世纪40年代由同一批科学家提出和形成的，只是这些科学家们研究的侧重点有所不同。上面已提到，首先指出信息与物质、能量同等重要，是科学历史上三个最重要的基本概念的正是控制论的创始人维纳。而自动化科学的另一奠基人，我国的著名科学家钱学森在他的《工程控制论》中的序言中写道：“这门新学科的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可是在其他各门自然科学中这些因素是非常重要的”，明确地指出了控制论研究的是信息。而索波列夫在《控制论的若干基本特征》中进一步地指出：“控制原理的实质在于，巨大质

量的运动与行动，巨大能量的传送与转变，可通过携带信息的不大的质量与不大的能量来指挥和控制。这个控制原理是任何控制系统组织和工作的基础。因此，研究信息的传递和转换规律的信息论，是研究自动机器与生物体中控制与通信的共同原理的控制论的基础。”

自动化科学与信息科学的同根、同源，自动化技术涉及信息技术的全部，并不隐含着自动化技术对信息技术的替代性，丝毫没有贬低计算机技术与通信技术在信息技术中的重要作用。通信技术的重点是在信息传输上，计算机技术的重点是在信息处理上，而自动化技术的重点是在信息的控制应用上。这分别是它们各自的“个性”，而“共性”则都是“处理”信息。

自动化技术的重点是在信息的控制应用上是由自动化技术的技术本质决定的，即自动化技术的作用是如何有效地利用信息来促进能量与物质的有效利用。人类从必然王国走向自由王国中最重要的就是改造自然、改造世界，而这一切，都必须也只能通过信息的控制应用才能实现。

自动化技术的重点是在信息的控制应用上还反映了自动化技术的另一重要作用——系统集成作用。为了实现信息的控制应用，达到改造客观世界的目的，自动化技术要综合运用信息获取、信息传输和信息处理等技术，并考虑人的因素、环境的因素的相互作用与影响。尤其对一个大型复杂系统或过程（如交通运输系统、通信系统、电力系统等）的控制来说，其复杂性、难度是可想而知的，因而系统集成作用的重要性也是不言而喻的。从这一意义上，应该说，自动化技术的重点是在信息的控制应用和系统集成上。也因此，信息、控制与系统是自动化科学技术的核心概念。

§5.5 自动化学科与专业的含义与区分

在前面4节中，主要从科学技术研究的角度，介绍自动化科学技术的性质、特点与核心概念，自动化科学技术作为一门新兴学科在整个科学技术体系中的重要性，阐述自动化科学技术是自动化取得如此巨大成功与成效的源泉与基础。从本节开始，将主要从教育的角度，来对自动化（科学技术）学科的分类与构成、自动化学科与自动化专业的关系进行详细的介绍。

我们知道，随着现代科学技术的发展速度越来越快，科学与技术越来越难以完全分开或分清。为了避免争论，也为了简单，在不要求明确区分时常统称为“科学技术”，或干脆简称为“科技”。因此，当从本节开始将讨论重点逐步由研究移至教育时，将不再对自动化科学与自动化技术进行明确的区分，而统一称呼为自动化科学技术。相应地，用自动化学科、自动化专业来

简称自动化科学技术学科、自动化科学技术专业。

在现实生活中，接受过不同层次教育的人对学科与专业有不同的理解。如仅接受过中学教育的普通百姓与接受过研究生教育的科研人员对学科专业的理解就有很大的区别。图5.5.1给出了不同社会层面（不同学历 $ \underline{\text{背景}} $）对大学中的学科与专业的不同理解的相互关系。由该图可看出，对仅接受过中学教育的普通百姓（中学层面）来说，大学的专业就分理科、文科等；而对大学生（本科层面）来说，大学的专业应该分理学类、工学类等（拿到的学位证书分别是理学学士和工学学士），再细分为各个专业，如工学类可分为自动化专业、计算机专业和机械专业等等；但同样的专业对研究生（研究生层面）来说，就理解为学科，如自动化学科、计算机学科和机械学科。

学科(Discipline)是现代科学技术的一种分类法，具有明确的定义(含义)。按汉语字典解释，“学科”是“知识或学习的一门分科”；按英语词典解释，“Discipline”是“A branch of knowledge or teaching”，即学科是“知识或教学的一个分支”。由此可知，学科具有两方面的含义，分别对应着科学技术研究(知识)与科学、工程教育(学习与教学)。

与“学科”不同，“专业”的意思却很单一。在汉语字典里的解释是“高等学校的一个系里或中等专业学校里的学业门类（如这个系有三个专业）”，表明（在汉语中）对科学、工程教育来说，专业与学科的概念比较接近，只是其含义往往要比学科要窄；而在英语词典里，“专业（Specialty）”的解释是“特殊的职业、技能或技巧（A special pursuit, occupation, aptitude, or skill）”，比汉语的含义还要窄，并且在英语国家中，往往只用学科（Discipline）来对科学、工程教育分类。

由于大学教育主要是在教与学——教学的层面上，而研究生教育较多地包含了研究——知识的层面，目前我国对研究生教育，完全采用“学科”的称呼；而对大学本科教育，对“学科”与“专业”不作明确的区分，但习惯称呼为“专业”。从要求本科生参与研究工作的角度，并考虑与国际接轨，对大学本科教育，也宣称呼为“学科”，这也是本书虽为本科教育而作，但书名取为《自动化学科概论》的原意。

扩展阅读5.6.1：从自动化学科谈我国高等工程教育（吴澄）

5.6 自动化学科

上已提及，在自动化学科的形成与发展过程中，物理学、数学、系统科学、社会科学等基础科学学科和信息学、机械工程学、电机工程学、航空和航天工程学、化工学和运筹学等技术科学学科都起了重要作用。这一方面使自动化学科成为一门真正的多学科交叉的新兴技术学科；另一方面使自动化科学技术研究的内容——能有效控制的对象（机器、设备、系统、过程乃至生物、经济、人口等）越来越多、规模也越来越大、也越来越复杂，从而也使自动化学科涉及的领域、覆盖的内容越来越广，吸引了包括机械、计算机、航空航天、化工、冶金、管理等众多学科在内的众多科研与技术开发人员的参与。

据此，可勾画出如图5.6.1所示的自动化学科的结构框架(图5.6.2为结构框架简图)，即自动化学科的主体(自动化科学技术)是在众多基础与交叉学科的支撑与众多技术与工具的支持下、在与众多应用领域的相互推动下发展起来的。

可能是自动化学科涉及的领域、覆盖的内容与相互交叉的学科太多太广的缘故，对自动化学科如何分类，究竟包含哪些子学科（或称二级学科），至今尚无统一的意见。

目前对科学技术学科的划分可分为三类 $ ^{①} $，分别为：科学与技术一体化的分类法、科学与技术完全分开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）。我国针对硕士与博士研究生学位培养的学科分类，属于科学与技术一体化的分类法。

对研究生学位培养来说，自动化学科的正式名称为“控制科学与工程”学科，属工科门类下的一级学科，下分为五个二级学科，分别是控制理论与控制工程、检测技术与自动化装置、模式识别与智能系统、系统工程、导航制导与控制。其详细分类情况与学科代码见表5.6.1。

鉴于研究生教育是在本科教育之后高一层次的科学、工程教育，而基于研究生学位培养的学科分类法下属的各二级学科直接联系着本科自动化专业的各专业方向。因此对于有志于攻读研究生学位的大学生来说，研究生学位培养的这一学科分类法（表5.6.1）是必须了解的。

5.7 自动化专业

高等教育有多种分类法，纵向分类法分为博士研究生、硕士研究生、本科生和专科生四个层次（或粗分为研究生教育和大学教育两个层次）；横向分类法分为高等科学教育、高等工程教育等若干大类，授予的学位分别为理学学士（硕士、博士）学位、工学学士（硕士、博士）学位等。

按我国的习惯，自动化专业特指大学教育（包括本科生和专科生两个层次），是自动化高等教育的基础层次，划归为高等工程教育 $ ^{①} $，也就是俗称的工科。

根据2012年国家教育部公布的最新的《普通高等学校本科专业目录》，本科自动化专业属“工学”学科门类下的“自动化类”（参见表5.7.1），授予的学位为“工学学士”。

注：带 $ ^{*} $号的专业可授工学或理学学士学位。

到2014年6月，全国已有461所学校设立了自动化专业，是设置学校最多的“工学”专业（工科专业）之一，如果再把那些将自动化作为其专业名称的一部分的专业（如“电气工程及其自动化”、“机械设计制造及其自动化”、“农业机械化及其自动化”等专业）算在内，“自动化类专业”无疑将是中国最庞大的专业。

自动化专业如此受欢迎，各相关工科专业纷纷向自动化“靠拢”，以自动化作为其专业名称的后缀，这一点也不奇怪。这是源于自动化在我国的工业化与信息化、现代化的建设中做出了巨大的贡献；自动化科学技术已纳入所有国家重点支持的科学技术计划中，自动化的概念已深入人心，家喻户晓。同时也使自动化专业一直是国家急需的专业之一，也因而一直是招生人数最多和分配最受用人单位欢迎的专业之一，报考的学生多、毕业生一次就业率高。

思考题

1. 为什么说自动化科学技术是自动化的源泉与基础？

1. 如何理解“自动化科学技术的物化是自动化设备与系统（硬件和软件）”，“自动化科学技术的应用包括自动化设计、自动化制造、自动化工程、自动化管理、自动化决策、自动化运行等。”？

1. 为什么说信息、控制与系统是自动化科学技术的核心概念？

1. 如何理解“自动化技术是工业化与信息化之间的桥梁”。

1. 简述自动化科学技术与信息科学技术之间的关系。

1. 学科(Discipline)与专业(Specialty)有什么不同?

1. 对将自动化高等教育划归高等工程教育范畴，你如何看待？

1. 试述本科自动化专业与研究生自动化学科之间的联系。

1. 根据你目前的理解，自动化专业的特点是什么？

附录5.1 自动化科学技术的发展历史

虽然最早的自动控制可以追溯到公元之前（如我国古代的指南车），但自动控制的真正应用开始于工业革命时期。

应用反馈原理，1788年瓦特发明了能够自动调节进汽阀门的开度，从而控制蒸汽机转速的离心式调速器。1868年，以离心式调速器为背景，物理学家麦克斯韦尔（Maxwell）研究了反馈系统的稳定性问题，发表了可算作控制

理论最早成果的论文“论调速器(On Governors)”。随后，源自物理学与数学的自动控制理论（在当时称为自动调节原理，简称调节原理）开始逐步形成，1892年俄国Lyapunov的博士论文“论运动稳定性的一般问题”，提出了Lyapunov稳定理论，20世纪10年代提出了PID控制律。

20世纪20年代，电子管被发明并被大量应用。为了使电子管在其性能发生很大变化的情况下仍能正常工作，1927年反馈放大器正式诞生。“反馈”作为控制的核心概念之一被确立，并得到了一系列的有关系统稳定性与其他品质分析的大量成果。从此各种电子式控制器被大量地应用于各种机械与电子系统，使自动化设备真正能在无人控制的情况下更有效、更安全地工作。

至20世纪40年代初，第一代“控制理论”——经典控制理论正式诞生。经典控制理论是自动化科学技术的ABC，也是如今绝大多数工程学科的本科生都应掌握的有关控制的基本知识。经典控制理论处理的系统多为单输入单输出的反馈系统，研究工具有用于分析系统的频率响应和稳定性的传递函数和波特图；有用于分析反馈系统稳定性、增益裕度和相位裕度的奈奎斯特图。与此同时，自动控制被广泛地应用于各个领域，各种自动化生产线初见端倪。

20世纪40年代是系统与控制思想空前活跃的年代，1945年贝塔朗菲的《关于一般系统论》、1948年维纳的《控制论》与香农的《通讯的数学理论》 $ ^{①} $、1950年莫尔斯的《运筹学方法》以及1945年冯·诺依曼提出的现代计算机体系结构先后问世。其中，对自动化科学技术发展影响最大的当数维纳的《控制论》与贝塔朗菲的《系统论》。

1948年，美国数学家维纳（见附图5.1.1）出版了著名的《控制论》（Cybernetics）一书。Cybernetics一词来自希腊文，原意是“舵手”与“统治者”。在书中，维纳将控制论界定为“在动物和机器中控制与通讯的科学”。1954年，主要从事力学与火箭技术研究的我国著名科学家钱学森（见附图5.1.2）在美国出版了同样著名的《工程控制论》一书。该书主要面向工程应用，系统地揭示了控制论对自动化、航空、航天、电子通讯等科学技术的意义与深远影响。《控制论》与《工程控制论》的问世吸引了大批的数学家与工程技术专家从事控制论的研究，推动了该学科发展，也使原先对维纳的《控制论》持批判态度的哲学家们也肯定控制论是研究信息与控制一般规律的新兴科学。

20世纪50-60年代是人类开始征服太空的年代，1957年苏联成功发射第一颗人造卫星，1968年美国阿波罗飞船成功登上月球。在这些举世瞩目的成功中，自动控制起着不可磨灭的作用，也因此催生了60年代的第二代“控制理论”——现代控制理论的问世。其中包括50年代的贝尔曼动态规划理论和庞特里亚金极大值原理，60年代的卡尔曼滤波器、系统状态空间法、能控性和能观性。现代控制理论解决的是有多个相互耦合回路的多变量系统，研究工具是系统的状态空间法、卡尔曼滤波和最优控制理论。

建立在极大值原理和动态规划理论基础之上的最优控制理论，给出了使给定的代价函数最小化的条件，可以作为开环系统的输入（例如计算出实现运动轨迹最优化的输入量），或作为闭环系统的反馈律。与此同时，基于卡尔曼滤波和最优控制理论的状态估计理论也迅速成为许多领域用来估计内部状态的标准工具。

在这一时期，现代控制理论得到了蓬勃发展并成功地被应用于各种航空、航天器和其他领域（如火炮、船舶等机电系统的伺服与随动控制），同时，第一台数控机床与第一台工业机器人样机于1952年和1954年先后问世，各种自动化生产线在工业化国家得到了普遍的应用。自动化技术取得了辉煌的成果，并得到社会的广泛承认。

控制理论与自动化技术在空间技术与工业应用等领域取得的巨大成功，使人们对控制的期望愈来愈高，人们希望其应用范围能越来越广、解决的实际问题能越来越多，同时控制质量还能越来越好。于是，进入20世纪70年代，随着控制被广泛地应用于工业生产的各个部门和社会经济、生物医

学等领域，现代控制理论遇到了困难和挑战。工业（尤其是流程工业）领域的许多对象难以精确描述，变量过多，规模过大，再加上各种不确定因素与外部干扰，使现代控制理论无能为力。

现代控制理论面临的困难和挑战导致了对大系统、复杂系统乃至复杂巨系统的研究，并由此产生了70年代的大系统理论；导致了对系统论的进一步研究，系统和系统工程的方法受到控制科学家与工程师的日益重视；也导致20世纪80年代产生了多变量鲁棒控制理论，该理论引入了一些有效方法，使存在不确定性因素的情况下，控制系统依然能实现期望的闭环特性。

从20世纪70年代开始的这一时期，随着计算机技术的不断发展与逐步普及，以计算机控制为代表的自动化技术被广泛地应用（如1975年到1985年期间，PLC基本取代了传统的继电器）。计算机在各种自动化机器、设备（包括工业机器人）中的大量应用，使自动化技术产生了革命性的变化，并使得在一段时间内，在自动化技术方面取得的主要进展主要来自于计算机的大量应用与不断更新。

在接下来的二十多年里，自动化 $ \underline{\text{科学}} $研究出现了许多分支。在纯控制理论研究中主要有自适应控制、非线性控制、几何控制、离散时间动态系统理论、混杂控制、模糊控制、神经网络控制等；（ $ \underline{\text{工程)控制}} $论的概念、原理与方法被用来处理社会、经济、人口、环境等复杂系统的分析与控制，并形成了社会控制论、经济控制论、 $ \underline{\text{人口控制论}} $等学科分支；对系统论的研究进一步加强，系统科学的思想和系统工程的方法成为自动化科学技术体系的重要一部分。

与此同时，与实际应用密切结合的自动化技术研究主要有用于离散工业自动化生产中的计算机集成制造系统CIMS、用于连续工业自动化生产中的计算机集成过程控制系统CIPS等集成自动化技术；还有针对交通、商务、建设作业、农业等非制造业的综合自动化技术。

（1）重大需求驱动——工业发展、军事需求、航空航天；

纵观一百年来自动化科学技术的发展，非常突出的有以下几个特点：

（2）坚实理论指引——控制论、系统论、信息论；

（3）众多学科支撑——除自然科学和系统科学外，信息、制造等技术科学的交叉、支撑与推动；

（4）快速技术辐射——除应用于制造业、军事、航空航天之外，概念、原理与方法被用于非制造业自动化，被用来处理社会、经济、人口、环境等复杂系统的分析与控制，科学方法论、模型和规律对理化天地生等学科的发展也

有深刻的影响。

我国的自动化科学技术的研究比工业化国家起步要晚。20世纪40年代控制理论与方法开始引入我国；50年代钱学森将《工程控制论》等先进理论与技术带回国；1956年自动化科学技术被列为重点科技发展领域，同期开始建立各种研究机构，积极组织新理论、新技术的跟踪研究（包括研究开发元件、仪表、遥测遥控、计算机等）；1964年和国外几乎同时起步开始研究计算机控制；1978年自动化学界重整，加入人工智能、模式识别、系统工程、生物控制等新兴分支。80年代，国家科委、国家自然科学基金委、各工业部门和高等学校纷纷建立自动化研发专门机构，国家科技攻关、国家863高技术计划、国家攀登计划、国家973基础研究计划等也均列入自动化科学技术的研究和应用，吸引了大批的科技人员专门从事或跨学科兼顾自动化科学技术的研究，我国的自动化科学技术进入了蓬勃发展期。

自动化科学技术在我国虽然才发展了短短的60余年，但已对我国的国防军事（尤其是两弹一星、神舟飞船研制）和国民经济建设（各种工业自动化装备与系统）以及宏观管理决策、人口预测和控制等做出了突出的贡献。同时，我国在控制理论和系统理论研究上也取得了长足的发展。20世纪60年代对现代控制理论研究做出了若干领先的成果；系统理论和系统工程方面形成了自己的理论和方法论体系；研究复杂系统定性定量综合集成和离散事件与混杂系统理论得到蓬勃发展；人工智能注重研究人在实际环境中的智能行为，并用于智能控制系统的研究和实现。中国人对世界自动化科学的发展做出了贡献。

附录5.2 自动化学科的分类

对科学与技术学科的划分有多种方法，如根据科学与技术的关系来划分则可分为三类，分别为：科学与技术一体化的分类法、科学与技术完全分开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）。以下针对自动化学科，分别予以介绍。

一、 科学与技术完全分开的分类法

如我国有关学科分类的国家标准（2009版），自动化科学与自动化技术分别划归在“信息科学与系统科学”与“电子、通信与自动控制技术”中，详细分类情况与学科代码见附表5.2.1。

又如国际自动控制联合会（INTERNATIONAL FEDERATION OF AUTO-

MATIC CONTROL，缩写 IFAC)分(科学)理论、技术与应用3个方面，将学科内容划分为9个领域、39个专题，分别为：系统与信号理论(5个专题)、设计方法(6个专题)、计算机、认知与通讯(3个专题)、机电一体化、机器人学与部件(4个专题)、制造与物流系统(4个专题)、过程与电力系统(4个专题)、运输系统与运载工具(5个专题)、生物与生态系统(4个专题)、社会系统(4个专题)，详见附表5.2.2。

二、 科学与技术一体化的分类法

这种分类法完全根据研究对象的不同来划分下属内容或各子学科，在各子学科内部，科学与技术不再分离。如我国国务院学位委员会制订的针对我国硕士与博士研究生学位培养的学科分类，基本是按这一思想进行的。对自动化学科来说，该一级学科被划分为五个二级学科，其详细分类情况与学科代码见表5.6.1。

三、 混合式分类法

第三类可称为混合式分类法，即其下属内容中部分内容按科学分类、部分内容按技术分类、还有部分内容采用科学与技术一体化来分类。

如我国国家自然科学基金委从国家基础科学与应用基础科学研究的角度将自动化学科划分为控制理论与方法、系统科学与系统工程、导航、制导与传感技术、模式信息、人工智能与知识工程、机器人学与机器人技术、认知

科学及智能信息处理等七大部分，相关分类情况与学科代码见附表5.2.3。

续表

附录5.3 我国自动化学科、专业人才培养的演变历程

我国自动化高等教育发展已经历了半个多世纪的历程， $ \underline{\text{除了“文革”}} $期间基本处于停滞状态外，一直在持续发展，其演变过程大体可分为以下四个时间段。

一、 1952—1966年

在自动化专业的发展历史中，有两条发展主线，分别是“工业自动化”专业与“自动控制”专业，其中“工业自动化”专业最早源于1952年设立的“工业企业电气化”专业。当时，苏联援助我国兴建156个大型工业企业，急需电气自动化方面的技术人才，而培养这类专业技术人才，很符合当时以及随后我国工业建设的需要。到了60年代，专业名称改为“工业电气化及自动化”。“自动控制”专业组建于1956年，缘于我国国防、军事建设中对自动控制人才的急需，当时在不少学校，“自动控制”专业是保密专业。到1966年，全国有近40所高等工科院校设置了自动化类的本科专业，其中大部分是重点院校，也有一些隶属于各部委的一般工科院校。

在这一时期，人才培养模式、课程设置等主要学习前苏联的相关模式，要求专业对口。招生和分配有严格的计划，学制多数为5年，个别高校为6年。培养学生的目标为工程师，毕业后绝大多数在专业对口单位从事技术工作。

苏联培养模式和专业设置，在我国工业基础十分薄弱，自动化专业人才极为匮乏的历史背景下十分必要，与当时我国的经济与科技发展水平基本适应。在这种培养模式下，为我国的经济建设培养了一批自动化专业人才，在我国工业化进程中发挥了重要作用。

二、 1978—1995年

1977年恢复高考招生，为适应当时的国民经济建设和科学技术发展的需要，“工业电气化及自动化”专业名称改为“工业电气自动化”专业，而“自动控制”专业名称保持不变，自动化专业得到较快发展。仅1977年至1982年，就有近50所高校设置自动化类本科专业。

改革开放以来，我国开始逐步向以英美为代表的教育体制靠拢，逐渐淡化专业、推行“通才”教育。同时，学生分配开始由严格的计划分配方式向以计划为主的分配方式转变。

1993 年，国家教委颁布了称之为“体系完整、比较科学合理、统一规范”的“普通高等学校本科专业目录”。“工业电气自动化”和“生产过程自动

化”两专业合并成立属于电工类的“工业自动化”专业，并由当时的机械工业部归口管理成立“高等学校工业自动化教学指导分委员会”，负责“工业自动化”专业的教学指导工作。与此同时，“自动控制”专业归类到电子信息类，并由当时的电子工业部归口管理成立“高等学校自动控制教学指导分委员会”，负责“自动控制”专业的教学指导工作。

到1995年，全国已有近130所高校设置自动化类本科专业，“工业自动化”与“自动控制”专业的“强弱电并重、软硬件兼顾、控制理论和实际系统相结合，面向运动控制、过程控制和其他对象控制”的共同特点与培养目标进一步明确，“工业自动化”专业偏重强电（220V及以上）、偏重应用与“自动控制”专业偏重弱电（24V及以下）、偏重理论的专业特点与分工格局也基本确定。

在这一时期，随着1978年研究生招生的恢复，自动化学科研究生首先在一批工科类重点大学招生和培养。当时，自动化学科研究生学位培养的一级学科名称为“自动控制”，由自动控制理论及应用、工业自动化、自动化仪表及装置、系统工程、模式识别与智能控制五个二级学科组成。1984年全国试办33所研究生院，自动化学科研究生学位培养开始快速发展。

三、 1995—2012年

随着我国社会主义市场经济体制的逐步建立，国家开始推行大学生毕业分配制度改革，国家开始不包分配，而是实行“供需见面，学生自主择业”，伴随而来的全国企事业单位用人制度的改革，对我国高校专业设置以及课程教学都带来了严峻的挑战。与此同时，在科学技术领域中，学科交叉、渗透与融合的趋势越来越明显，尤其是自动化学科发展更为迅速。

在这一背景下，1995年，国家教委颁布了“工科本科引导性专业目录”，从国家层面引导将“工业自动化”专业与“自动控制”专业合并为“自动化”专业。1998年，为适应国家经济建设对宽口径高等教育人才培养的需要，进一步合并专业、与国际“通才”教育接轨，国家教育部公布了经第四次修订的新版“普通高等学校本科专业目录”，正式将原属于电工类的“工业自动化”专业与属于电子信息类的“自动控制”专业合并，再加上“液压传动与控制”专业（部分）、“电气技术”专业（部分）与“飞行器制导与控制”专业（部分），组成正式的“自动化”专业（属于电气信息类）。

至此，自动化专业已经是一个跨行业的宽口径专业，这不仅完全符合世界范围内拓宽专业面、打破“行业性的专业”设置旧体系、实行“通才”教育的教育发展总趋势，完全符合我国信息化带动工业化、走新兴工业化道路的国情；而且本科自动化专业和自动化（科学技术）学科名称相一致，有利于同步

发展我国的自动化科学技术学科和本科自动化专业。自那以来，自动化专业“井喷”发展，全国又有300余所高校增设自动化本科专业，设立自动化本科专业的学校也从单一的工科院校扩展到综合类、师范类、农林类等各类院校。

到2012年，全国已有446所学校设立了自动化专业。

在自动化学科研究生学位培养方面，1997年国务院学位委员会办公室、教育部研究生工作办公室进行了学科目录修订工作，一级学科名称“自动控制”改为“控制科学与工程”，由控制理论与控制工程、模式识别与智能系统、系统工程、导航制导与控制、检测技术与自动化装置五个二级学科组成。

四、 2012年至今

2012年国家教育部公布了最新的《普通高等学校本科专业目录》，自动化从专业升格为类，称为“自动化类”（参见表5.7.1），下设一个自动化专业 $ ^{①} $。

自动化从专业升格为类，表明国家对自动化建设的重视。对比（参见表5.7.1）传统的机械类（下设8个专业）与新兴的计算机类（下设6个专业），自动化类专业或许将进入一个崭新的发展期。