數(shù)學(xué)在自動化專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用探究

陳子昂

摘 要：自動化控制是一門體系完備、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、以數(shù)學(xué)計算為基礎(chǔ)的綜合性學(xué)科，在其發(fā)展過程中，數(shù)學(xué)始終起著重要作用。本文將簡述自動化的發(fā)展歷程和專業(yè)特色，并著重闡述數(shù)學(xué)在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，強調(diào)數(shù)學(xué)對于推動自動化進(jìn)步所具有的舉足輕重的地位。隨著經(jīng)濟(jì)和社會的騰飛，自動化技術(shù)終將獲得巨大發(fā)展，并成為文明進(jìn)步的推動力。

關(guān)鍵詞：自動化；數(shù)學(xué)；應(yīng)用現(xiàn)狀；應(yīng)用前景

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

自動化的含義隨著社會發(fā)展進(jìn)步而逐漸革新。以前人們認(rèn)為能夠替代體力勞動，自動完成指定作業(yè)的機(jī)械動作都是自動化技術(shù)；隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的出現(xiàn)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(chǎn)制造系統(tǒng)中，自動化則更多意味著人機(jī)交互以及對整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理，以達(dá)到提高效率的目的。自動化的發(fā)展進(jìn)步離不開數(shù)學(xué)理論、數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)算法的支撐，筆者對自動化的發(fā)展、特色和數(shù)學(xué)在自動化的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了初步的介紹，并探索了數(shù)學(xué)在自動化發(fā)展方向上的應(yīng)用前景。

1 自動化概述

1.1 發(fā)展歷程

1952年全國院系大調(diào)整時，第一批設(shè)立的專業(yè)包括“工業(yè)企業(yè)電氣化”，也就是最早的自動化專業(yè)的前身；1995年國家教委將電工類的“工業(yè)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(yè)；1998年，國家教育部公布了“普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄”，形成了新的自動化專業(yè)，沿用至今；目前整個中國設(shè)立了該專業(yè)的有200多所高校[1]。

1.2 專業(yè)特色

自動化專業(yè)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(yè)之一。伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和騰飛，國內(nèi)的自動化專業(yè)產(chǎn)生了一些獨有的特色。首先，它具有“控（制）管（理）結(jié)合，強（電）弱（電）并重，軟（件）硬（件）兼施”的特點，是理、工、文、管多學(xué)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(tǒng)問題、組織管理、系統(tǒng)協(xié)調(diào)等能力，可以促使學(xué)生開拓視野、活躍思維、提高創(chuàng)新能力，有利于培養(yǎng)將才、帥才[1]；最后，自動化緊緊結(jié)合信息時代涌現(xiàn)出的如計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，發(fā)展迅猛，社會需求量大。

2 數(shù)學(xué)在自動化專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

自動化學(xué)科課程內(nèi)涵豐富，交叉面廣，必然要求基礎(chǔ)扎實。文獻(xiàn)1指出：在所有工科學(xué)生中，自動化學(xué)生對數(shù)學(xué)知識的要求量最大[1]。這也就決定了數(shù)學(xué)在自動化專業(yè)中的地位和作用。

2.1 數(shù)學(xué)推動自動化技術(shù)的進(jìn)步

自動控制系統(tǒng)是以物理模型和數(shù)學(xué)計算為基礎(chǔ)的學(xué)科。文獻(xiàn)3將常見的控制環(huán)節(jié)模化為一些易于理解的數(shù)學(xué)算法，穿插使用數(shù)學(xué)進(jìn)行講解，既使得教學(xué)顯得生動，也增強了學(xué)生對自動控制過程的形象認(rèn)識和理解[3]。一旦脫離了數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)理論向著未知領(lǐng)域探索發(fā)展。

2.2 具體實例

自動控制系統(tǒng)是由各個環(huán)節(jié)構(gòu)成，如微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、放大環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)等，而環(huán)節(jié)的特性是指輸出變量與輸入變量之間的關(guān)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(huán)節(jié)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，F(xiàn)1>G，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為重物的重力勢能和動能；到F1=G時，重物速度最大；繼續(xù)上升則彈簧的彈性勢能和重物的動能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換也就形成了震蕩過程。

3 數(shù)學(xué)在自動化專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景[4]

機(jī)械制造為各行各業(yè)提供技術(shù)裝備，自動化為這些裝備提供大腦與語言，是工業(yè)生產(chǎn)的靈魂所在，對于提高生產(chǎn)效率、完善工業(yè)體系、推動制造業(yè)創(chuàng)新具有重要作用。隨著信息時代的到來以及計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，自動化的發(fā)展方向也在不斷更新，這些都離不開數(shù)學(xué)的支持。具體說來，有以下幾點：

3.1 模塊化

由于產(chǎn)品種類多樣化，并且不同廠家對同類產(chǎn)品的要求類似，研發(fā)模塊單元具有重要的實際作用，如集加減速和電動機(jī)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(chǎn)效率，降低資源浪費，對于新產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大也非常有益。

3.2 智能化

開發(fā)人工智能，增強產(chǎn)品的邏輯思維、推理判斷和自主決策等能力，以達(dá)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(shù)學(xué)算法的體現(xiàn)；算法的改進(jìn)可以促進(jìn)代碼的優(yōu)化。智能化的發(fā)展能夠解放生產(chǎn)力，推動社會進(jìn)步。

3.3 人格化

所有產(chǎn)品的最終操作者都是人，因此注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，賦予某些產(chǎn)品以情感和人性，模仿生物機(jī)制等會有力推動機(jī)械制造與自動化的前進(jìn)發(fā)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(jī)器具有邏輯思維和自主判斷等能力，以及人格化中賦予產(chǎn)品情感和人性，都少不了數(shù)學(xué)理論的支撐、數(shù)學(xué)模型的建立和數(shù)學(xué)算法的嵌入優(yōu)化。沒有數(shù)學(xué)，這些自動化產(chǎn)品的未來趨勢都無從談起。

4 結(jié)語

本文回顧了自動化領(lǐng)域的發(fā)展歷程、專業(yè)特色和發(fā)展方向，并強調(diào)了數(shù)學(xué)對于自動化進(jìn)步的舉足輕重的地位。充分發(fā)揮數(shù)學(xué)作為基礎(chǔ)理論和算法支撐的作用，能夠迅速促進(jìn)自動化朝著智能化和人格化方向發(fā)展。隨著我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長和社會的逐漸發(fā)達(dá)，數(shù)學(xué)將為自動化技術(shù)的發(fā)展提供源源不斷的動力，使之成為文明進(jìn)步的推動力。

參考文獻(xiàn)：

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

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[3]姚海軍.數(shù)學(xué)在自動控制中的應(yīng)用.電子設(shè)計工程，2009（09）：114-115+118.

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