자동화

자동화는 주로 의사결정 기준, 하위 프로세스 관계 및 관련 동작을 사전에 결정하고 이를 기계에 구현함으로써 프로세스에서 인간의 개입을 줄이는 광범위한 기술을 말한다. 자동화는 기계식, 유압식, 공압식, 전기식, 전자식 장치 및 컴퓨터 등 다양한 수단을 통해 달성되어 왔으며, 대개 이들을 조합하여 사용한다. 현대 공장, 항공기, 선박과 같은 복잡한 시스템은 일반적으로 이 모든 기술을 조합하여 사용한다. 자동화의 이점에는 인건비 절감, 폐기물 감소, 전력 비용 절감, 재료비 절감, 품질·정확도·정밀도 향상 등이 포함된다.

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자동화에는 기계류, 공장 내 프로세스, 보일러, 열처리로, 전화 네트워크 교환, 선박·항공기 및 기타 응용 분야와 차량의 조향 및 안정화 등 다양한 장비와 제어 시스템의 사용이 포함된다. 그 사례는 보일러를 제어하는 가정용 온도조절기부터 수만 개의 입력 측정값과 출력 제어 신호를 갖춘 대규모 산업 제어 시스템에 이르기까지 다양하다.

가장 단순한 유형의 자동 제어 루프에서, 제어기는 프로세스의 측정값을 원하는 설정값과 비교하고 그 결과로 생긴 오차 신호를 처리하여 프로세스에 대한 일부 입력을 변경함으로써, 외란에도 불구하고 프로세스가 설정점을 유지하도록 한다. 이러한 폐루프 제어는 시스템에 대한 부귀환(네거티브 피드백)의 응용이다. 제어 이론의 수학적 기초는 18세기에 시작되었으며 20세기에 급속히 발전하였다. 이전 단어인 오토매틱(자동인형 '오토마톤'에서 유래)에서 영감을 받은 '자동화(automation)'라는 용어는 1947년 포드가 자동화 부서를 설립하기 전까지 널리 사용되지 않았다. 이 시기에 산업계는 피드백 제어기를 빠르게 도입하고 있었으며, 1930년대에 도입된 기술적 발전은 다양한 산업을 크게 혁신하였다.

세계은행의 2019년 세계개발보고서는 기술 분야의 새로운 산업과 일자리가 자동화로 대체되는 노동자의 경제적 영향을 상쇄한다는 증거를 보여준다. 자동화에 따른 일자리 손실과 하향 이동은 2010년대 이후 미국, 영국, 프랑스 등 여러 국가에서 민족주의적, 보호무역주의적, 포퓰리즘 정치가 부활하는 많은 요인 중 하나로 지목되어 왔다.

역사

초기 역사

그리스인과 아랍인들은 기원전 약 300년부터 서기 약 1200년까지의 시기에 정확한 시간 측정에 몰두하였다. 프톨레마이오스 왕조의 이집트에서 기원전 약 270년경, 크테시비오스는 물시계용 부력 조절기를 기술하였는데, 이는 현대 수세식 변기의 볼탑 밸브와 유사한 장치였다. 이것이 가장 초기의 피드백 제어 메커니즘이었다. 14세기에 기계식 시계가 등장하면서 물시계와 그 피드백 제어 시스템은 쓸모없게 되었다.

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페르시아의 바누 무사 형제는 그들의 저서 《독창적인 장치의 서》(850년)에서 다수의 자동 제어 장치를 기술하였다. 불연속 가변 구조 제어의 한 형태인 유체용 2단계 수위 제어가 바누 무사 형제에 의해 개발되었다. 그들은 또한 피드백 제어기를 기술하였다. 산업혁명까지의 피드백 제어 시스템 설계는 상당한 공학적 직관과 함께 시행착오 방식으로 이루어졌다. 수학, 즉 자동 제어 이론의 공식적 언어를 사용하여 피드백 제어 시스템의 안정성을 분석하게 된 것은 19세기 중반에 이르러서였다.

원심 조속기는 17세기에 크리스티안 하위헌스에 의해 발명되었으며, 맷돌 사이의 간격을 조절하는 데 사용되었다.

서유럽의 산업혁명

원동기, 즉 자체 구동 기계의 도입으로 곡물 제분기, 용광로, 보일러, 증기기관이 발전하였고, 이는 온도 조절기(1624년 발명, 코르넬리우스 드레벨 참조), 압력 조절기(1681년), 부력 조절기(1700년), 속도 제어 장치 등의 자동 제어 시스템에 대한 새로운 수요를 창출하였다. 또 다른 제어 메커니즘은 풍차의 돛을 펼치는 데 사용되었다. 이것은 1745년 에드먼드 리에 의해 특허를 받았다. 역시 1745년에 자크 드 보캉송은 최초의 자동화 직조기를 발명하였다. 1800년경 조제프 마리 자카르는 직조기를 프로그래밍하기 위한 천공카드 시스템을 만들었다.

1771년 리처드 아크라이트는 수력으로 구동되는 최초의 완전 자동화 방적 공장을 발명하였으며, 당시 수력 방적기로 알려졌다. 1785년 올리버 에반스가 자동 제분 공장을 개발하여, 이것이 최초의 완전 자동화 산업 공정이 되었다.

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원심 조속기는 1784년 영국의 번스 씨가 모형 증기 크레인의 일부로 사용하였다. 원심 조속기는 1788년 제임스 와트에 의해 증기기관에 채택되었는데, 이는 와트의 사업 파트너인 볼턴이 볼턴 앤 와트가 건설 중이던 제분 공장에서 이를 목격한 후였다. 이 조속기는 실제로 설정 속도를 유지할 수 없었으며, 엔진은 부하 변동에 따라 새로운 일정 속도를 취하곤 하였다. 조속기는 보일러의 열부하 변동으로 인한 것과 같은 작은 변동은 처리할 수 있었다. 또한 속도 변화가 있을 때마다 진동하는 경향이 있었다. 그 결과, 이 조속기를 장착한 엔진은 면화 방적과 같이 일정한 속도를 필요로 하는 작업에는 적합하지 않았다.

조속기에 대한 여러 개선과 증기기관의 밸브 차단 타이밍 개선으로 인해, 19세기 말 이전에 대부분의 산업 용도에 적합한 엔진이 되었다. 증기기관의 발전은 열역학과 제어 이론 양쪽 모두의 과학보다 훨씬 앞서 있었다. 조속기는 제임스 클러크 맥스웰이 제어 이론을 이해하기 위한 이론적 기초의 시작을 확립하는 논문을 발표할 때까지 상대적으로 적은 과학적 관심을 받았다.

20세기

릴레이 논리는 공장 전기화와 함께 도입되었으며, 1900년부터 1920년대까지 급속히 보급되었다. 중앙 발전소도 빠르게 성장하고 있었으며, 새로운 고압 보일러, 증기 터빈, 전기 변전소의 운영은 계기와 제어에 대한 큰 수요를 창출하였다. 중앙 제어실은 1920년대에 보편화되었지만, 1930년대 초까지도 대부분의 프로세스 제어는 온-오프 방식이었다. 운전원들은 일반적으로 기록계가 계기의 데이터를 도표로 그린 차트를 모니터링하였다. 보정을 하기 위해 운전원들은 수동으로 밸브를 열거나 닫거나, 스위치를 켜거나 껐다. 제어실은 또한 색상으로 구분된 표시등을 사용하여 공장 내 작업자들에게 특정 변경을 수동으로 수행하라는 신호를 보냈다.

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1920년대 전자 증폭기의 개발은 장거리 전화 통신에 중요했으며, 더 높은 신호 대 잡음비를 필요로 하였고 이는 부귀환 잡음 상쇄로 해결되었다. 이것과 다른 전화 통신 응용 분야들은 제어 이론에 기여하였다. 1940년대와 1950년대에 독일의 수학자 이름가르트 플뤼게-로츠는 불연속 자동 제어 이론을 발전시켰으며, 이는 제2차 세계대전 중 사격 통제 시스템과 항공기 항법 시스템에 군사적으로 응용되었다.

온-오프 제어가 아닌 설정점으로부터의 편차에 대응하여 계산된 변경을 할 수 있는 제어기가 1930년대에 도입되기 시작하였다. 이러한 제어기 덕분에 제조업은 공장 전기화의 영향력 감소를 상쇄하면서 계속해서 생산성 향상을 나타낼 수 있었다.

공장 생산성은 1920년대 전기화에 의해 크게 증가하였다. 미국 제조업 생산성 성장률은 1919~1929년의 연 5.2%에서 1929~1941년에는 연 2.76%로 하락하였다. 알렉산더 필드는 비의료 기기에 대한 지출이 1929년에서 1933년 사이에 크게 증가하였으며 그 이후로도 강세를 유지하였다고 지적한다.

제1차 및 제2차 세계대전은 대중 통신과 신호 처리 분야에서 주요한 발전을 가져왔다. 자동 제어의 다른 주요 발전으로는 미분방정식, 안정성 이론과 시스템 이론(1938년), 주파수 영역 분석(1940년), 선박 제어(1950년), 확률론적 분석(1941년) 등이 있다.

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1958년부터 다양한 시스템이 개발되기 시작하였다.