自动化原理涉及很多基础知识。这些知识来自许多人的研究成果。参考文献记录了这些研究。参考文献很重要。它们帮助我们理解自动化技术的发展过程。

自动化原理的核心是控制。控制就是让机器按照人的想法工作。很早以前人们就想过自动控制。古代的水钟就是一种自动装置。水钟利用水流速度控制时间。这是最早的控制思想。后来的机械钟表更加精密。钟表里面有发条和齿轮。这些零件组成一个系统。系统自己调节运行速度。这就是自动调节的雏形。

十八世纪出现了蒸汽机。蒸汽机需要控制速度。速度太快机器会损坏。速度太慢效率会降低。詹姆斯·瓦特改进了蒸汽机。他增加了一个离心调速器。调速器上有两个小球。蒸汽机转动时小球飞起来。转速越高小球飞得越高。小球连接一个阀门。小球飞高阀门关小。蒸汽进入减少转速下降。转速下降小球位置降低。阀门再次打开。这样转速就稳定了。这是一个典型的自动控制系统。这个例子在很多书里都有介绍。比如一本叫《自动控制原理》的书。这本书由中国人胡寿松编写。书中详细讲了调速器的工作原理。这本书是许多学生的教材。

二十世纪初电子技术发展。电子管和晶体管出现了。这些器件可以用来处理信号。信号是控制的关键。比如温度信号、压力信号、位置信号。这些信号很微弱。电子放大器可以放大信号。放大后的信号能驱动电机。电机带动设备动作。这就形成了闭环控制。闭环控制是一个重要概念。诺伯特·维纳研究了这个问题。他写了一本书叫《控制论》。这本书出版于一九四八年。书中提出了反馈的概念。反馈就是把输出信号送回到输入端。输入端比较反馈信号和期望值。如果有误差就进行调整。调整直到误差消失。反馈是自动化的核心思想。维纳的书是重要的参考文献。

第二次世界大战促进了自动化发展。军队需要高射炮打飞机。飞机飞得很快。人工瞄准很难命中。科学家设计了自动瞄准系统。系统用雷达测量飞机位置。雷达信号传给计算机。计算机算出炮弹飞行路线。电机转动炮塔对准目标。这个过程全部自动完成。这个系统用了很多新理论。亨德里克·韦德·波德研究了频率响应法。他写了关于网络分析的论文。这些论文成为经典。频率响应法现在还在用。比如分析机器人手臂的振动。机器人是自动化的重要领域。

二十世纪五六十年代计算机诞生。计算机改变了自动化。计算机可以处理复杂计算。以前只能实现简单控制。比如保持温度不变。现在可以实现优化控制。优化控制让系统性能最好。比如耗油最少、产量最高。理查德·贝尔曼提出了动态规划。他写了一本书叫《动态规划与应用》。这本书讲了多阶段决策方法。这个方法用于最优控制。另一位科学家庞特里亚金提出极大值原理。他的著作《最优过程的数学理论》很著名。这些理论推动了自动化发展。

现代自动化无处不在。工厂里有很多自动化设备。流水线自动组装产品。机器人搬运货物。这些系统离不开传感器。传感器检测温度、距离、颜色。传感器信号送到控制器。控制器通常是PLC。PLC是可编程逻辑控制器。它按照程序动作。程序由工程师编写。编写程序需要知识。这些知识来自教材和论文。比如约翰·帕克森写的《PLC编程与应用》。这本书很实用。它教人如何编写控制程序。

日常生活中也有很多自动化。空调自动调节室温。冰箱自动控制冷量。洗衣机自动决定水量。汽车里有自动变速器。这些家电和汽车都有控制器。控制器里面是微芯片。芯片运行控制算法。算法就是数学公式。公式来自控制理论。经典控制理论处理单输入单输出。现代控制理论处理多输入多输出。鲁棒控制考虑系统不确定性。模糊控制模仿人的思维。这些理论在期刊文章里有详细讨论。比如《IEEE自动控制汇刊》登载最新研究成果。研究人员阅读这些文章。他们从中获得新想法。

自动化原理的参考文献包括书籍、论文、标准。书籍系统介绍基础知识。论文介绍最新进展。标准规定设备接口和协议。比如ISA标准关于仪器仪表。IEC标准关于电气控制。这些文献构成一个知识体系。工程师需要学习这些知识。他们设计新系统时要参考旧系统。参考不是照搬。是在前人基础上改进。改进需要理解原理。理解原理就要读书。重要的教科书有几十种。除了胡寿松的书，还有美国人理查德·多夫写的《现代控制系统》。这本书例子很多。它用实际系统解释理论。比如它用飞机自动驾驶仪做例子。自动驾驶仪保持飞机姿态。它综合了陀螺仪信号和高度计信号。这本书很适合自学。

自动化还在发展。现在流行工业互联网。工业互联网把机器连起来。机器数据传到云端。云端分析数据预测故障。这就是预测性维护。预测性维护减少停机时间。这个概念在最近几年的会议论文中很多。比如国际自动控制联合会世界大会的论文集。这些论文代表前沿方向。另一个方向是人工智能控制。人工智能让机器自己学习。机器从经验中改进控制策略。深度强化学习是热门方法。相关论文发表在《自动学》期刊上。这些论文数学很多。但基本思想还是反馈和优化。

学习自动化原理必须看参考文献。不看文献只能知道表面。看文献才能深入理解。经典文献经得起时间考验。新文献反映技术潮流。图书馆里有这些资料。网上数据库也能下载。学生应该多看文献。工程师也要常查文献。文献是技术工作的指南。自动化原理并不神秘。它来自实际需求。它解决具体问题。参考文献记录了解决问题的过程。这个过程充满智慧。这些智慧属于全人类。