數學在自動化專業領域中的應用探究

陳子昂

摘 要：自動化控制是一門體系完備、邏輯嚴謹、以數學計算為基礎的綜合性學科，在其發展過程中，數學始終起著重要作用。本文將簡述自動化的發展歷程和專業特色，并著重闡述數學在自動化領域的應用現狀和應用前景，強調數學對于推動自動化進步所具有的舉足輕重的地位。隨著經濟和社會的騰飛，自動化技術終將獲得巨大發展，并成為文明進步的推動力。

關鍵詞：自動化；數學；應用現狀；應用前景

中圖分類號：F470. 6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0246-01

自動化的含義隨著社會發展進步而逐漸革新。以前人們認為能夠替代體力勞動，自動完成指定作業的機械動作都是自動化技術；隨著計算機技術和信息技術的出現和運用，輔助甚至替代腦力勞動也包含在自動化一類中；而如今在大型生產制造系統中，自動化則更多意味著人機交互以及對整個系統的協調管理，以達到提高效率的目的。自動化的發展進步離不開數學理論、數學模型和數學算法的支撐，筆者對自動化的發展、特色和數學在自動化的應用現狀進行了初步的介紹，并探索了數學在自動化發展方向上的應用前景。

1 自動化概述

1.1 發展歷程

1952年全國院系大調整時，第一批設立的專業包括“工業企業電氣化”，也就是最早的自動化專業的前身；1995年國家教委將電工類的“工業自動化”和電子信息類的“自動控制”正式合并稱為“自動化”專業；1998年，國家教育部公布了“普通高等學校本科專業目錄”，形成了新的自動化專業，沿用至今；目前整個中國設立了該專業的有200多所高校[1]。

1.2 專業特色

自動化專業歷史悠久（成立至今已有60多年），從一開始就是社會大需求量的專業之一。伴隨著我國經濟的發展和騰飛，國內的自動化專業產生了一些獨有的特色。首先，它具有“控（制）管（理）結合，強（電）弱（電）并重，軟（件）硬（件）兼施”的特點，是理、工、文、管多學科交叉的寬口徑工科；其次，它包含了一些有益的如反饋法、黑箱法等方法，以及要求解決系統問題、組織管理、系統協調等能力，可以促使學生開拓視野、活躍思維、提高創新能力，有利于培養將才、帥才[1]；最后，自動化緊緊結合信息時代涌現出的如計算機、網絡等新技術，發展迅猛，社會需求量大。

2 數學在自動化專業領域的應用現狀

自動化學科課程內涵豐富，交叉面廣，必然要求基礎扎實。文獻1指出：在所有工科學生中，自動化學生對數學知識的要求量最大[1]。這也就決定了數學在自動化專業中的地位和作用。

2.1 數學推動自動化技術的進步

自動控制系統是以物理模型和數學計算為基礎的學科。文獻3將常見的控制環節模化為一些易于理解的數學算法，穿插使用數學進行講解，既使得教學顯得生動，也增強了學生對自動控制過程的形象認識和理解[3]。一旦脫離了數學理論、模型和算法，自動化可以說將一事無成；而自動控制反過來也促使著數學理論向著未知領域探索發展。

2.2 具體實例

自動控制系統是由各個環節構成，如微分環節、積分環節、放大環節、振蕩環節等，而環節的特性是指輸出變量與輸入變量之間的關系。下面我們將采用高中物理課本中一個簡單的例子來闡述振蕩環節的控制過程[2]。

如圖1所示，掛著重物的彈簧，若不考慮彈簧自身的重量，并忽略與空氣的摩擦作用，則重物靜止時有F3=F2=F1=G。將重物往下拉至一定位置處放開使其自由運動，在上升過程中，F1>G，彈簧的彈性勢能轉化為重物的重力勢能和動能；到F1=G時，重物速度最大；繼續上升則彈簧的彈性勢能和重物的動能轉化為重物的重力勢能，直至重物速度為零，下落過程同理分析。在此過程中，彈性勢能、重力勢能和動能互為輸入和輸出變量，這三種能量的相互轉換也就形成了震蕩過程。

3 數學在自動化專業領域的應用前景[4]

機械制造為各行各業提供技術裝備，自動化為這些裝備提供大腦與語言，是工業生產的靈魂所在，對于提高生產效率、完善工業體系、推動制造業創新具有重要作用。隨著信息時代的到來以及計算機和網絡技術的發展，自動化的發展方向也在不斷更新，這些都離不開數學的支持。具體說來，有以下幾點：

3.1 模塊化

由于產品種類多樣化，并且不同廠家對同類產品的要求類似，研發模塊單元具有重要的實際作用，如集加減速和電動機于一體的動力單元，集圖像識別和測距于一體的控制單元等，有利于提高生產效率，降低資源浪費，對于新產品開發和生產規模的擴大也非常有益。

3.2 智能化

開發人工智能，增強產品的邏輯思維、推理判斷和自主決策等能力，以達到更高級的自動化水平。而智能化的背后就是那幾行代碼，是數學算法的體現；算法的改進可以促進代碼的優化。智能化的發展能夠解放生產力，推動社會進步。

3.3 人格化

所有產品的最終操作者都是人，因此注重產品與人的關系，賦予某些產品以情感和人性，模仿生物機制等會有力推動機械制造與自動化的前進發展。

不論是模塊化中的圖像處理和測距等功能，還是智能化中機器具有邏輯思維和自主判斷等能力，以及人格化中賦予產品情感和人性，都少不了數學理論的支撐、數學模型的建立和數學算法的嵌入優化。沒有數學，這些自動化產品的未來趨勢都無從談起。

4 結語

本文回顧了自動化領域的發展歷程、專業特色和發展方向，并強調了數學對于自動化進步的舉足輕重的地位。充分發揮數學作為基礎理論和算法支撐的作用，能夠迅速促進自動化朝著智能化和人格化方向發展。隨著我國經濟的穩步增長和社會的逐漸發達，數學將為自動化技術的發展提供源源不斷的動力，使之成為文明進步的推動力。

參考文獻：

[1]戴先中.我國自動化專業的特色、特點分析與發展前景初探.電氣電子教學學報，2004（03）：1-5.

[2]姚融融，陳瑋，賀向陽.數學模型與自動控制系統.物理測試，2005（02）：29-31.

[3]姚海軍.數學在自動控制中的應用.電子設計工程，2009（09）：114-115+118.

[4]劉超.我國機械設計制造及其自動化發展方向研究.河南科技，2013（6）：105.