自动化技术发展综述上课讲义

自动化技术发展综述

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自动化的伊始

——蒸汽机的发明与发展

世界上第一台蒸汽机是由古希腊数学家亚历山大港的希罗（Hero of Alexandria）于1世纪发明的汽转球（Aeolipile），是蒸汽机的雏形。

约1679年法国物理学家丹尼斯·巴本在观察蒸汽逃离他的高压锅后制造了

第一台蒸汽机的工作模型。约与此同时萨缪尔·莫兰也提出了蒸汽机的主意。

1698年托马斯·塞维利、1712年托马斯·纽科门和1769年詹姆斯·瓦特制造了早期的工业蒸汽机，他们对蒸汽机的发展都做出了自己的贡献。1807年罗伯特·富尔顿第一个成功地用蒸汽机来驱动轮船。瓦特并不是蒸汽机的发明者，在他之前，早就出现了蒸汽机，即纽科门蒸汽机，但它的耗煤量大、效率低。瓦特运用科学理论，逐渐发现了这种蒸汽机的毛病所在。从1765年到1790年，他进行了一系列发明，比如分离式冷凝器、汽缸外设置绝热层、用油润滑活塞、行星式齿轮、平行运动连杆机构、离心式调速器、节气阀、压力计等等，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，最终发明出了现代意义上的蒸汽机。

1800年，英国的特里维西克设计了可安装在较大车体上的高压蒸汽机。1803年，他把它用来推动在一条环形轨道上开动的机车，找来喜欢新奇玩意儿的人乘坐，向他们收费，这就是机车的雏型。英国的史蒂芬孙将机车不断改进，于1829年创造了“火箭”号蒸汽机车，该机车拖带一节载有30位乘客的车厢，时速达46公里/时，引起了各国的重视，开创了铁路时代。

19世纪末，随着电力应用的兴起，蒸汽机曾一度作为电站中的主要动力机械。1900年，美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的蒸汽机电站。

蒸汽机的发展在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、

运行可靠、制造和维修方便等优点，因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶

等各个领域中，特别在军舰上成了当时唯一的原动机。

蒸汽机的发明与发展具有划时代的意义。蒸汽机的出现和改进促进了社会经济的发展，但同时经济的发展反过来又向蒸汽机提出了更高的要求，如要求蒸汽机功率大、效率高、重量轻、尺寸小等。尽管人们对蒸汽机作过许多改进，不断扩大它的使用范围和改善它的性能，但是随着汽轮机和内燃机的发展，蒸汽机因存在不可克服的弱点而逐渐衰落。

自动化从实践上升到理论的高度

——《控制论》的发表

1947年10月，维纳写出划时代的著作《控制论》，1948年出版后，立即风行世界。维纳的深刻思想引起了人们的极大重视。它揭示了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律；为现代科学技术研究提供了崭新的科

学方法；它从多方面突破了传统思想的束缚，有力地促进了现代科学思维方式和当代哲学观念的一系列变革。

在控制论中，“控制”的定义是：为了“改善”某个或某些受控对象的功能或发展，需要获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的、于该对象上的作用，就叫作控制。由此可见，控制的基础是信息，一切信息传递都是为了控制，进而任何控制又都有赖于信息反馈来实现。信息反馈是控制论的一个极其重要的概念。通俗地说，信息反馈就是指由控制系统把信息输送出去，又把其作用结果返送回来，并对信息的再输出发生影响，起到制约的作用，以达到预定的目的。

与研究物质结构和能量转换的传统科学不同，控制论研究系统的信息变换和控制过程。尽管一般系统具有质料、能量和信息三个要素，但控制论只把质料和能量看作系统工作的必要前提，并不追究系统是用什么质料构造的，能量是如何转换的，而是着眼于信息方面，研究系统的行为方式。控制论的另一位创始人、英国生理医学家W.R.阿什贝认为，控制论也是一种“机器理论”，但它所关注的不是物件而是动作方式。可以进一步说，控制论是以现实的（电子的、机械的、神经的或经济的）机器为原型，研究“一切可能的机器”──一切物质动态系统的功能，揭示它们在行为方式方面的一般规律。因此，与那些只研究特定的物态系统,揭示某一领域具体规律的专门科学相比较,控制论是一门带有普遍性的横断科学。

自动化如虎添翼

——计算机的发展与其和自动化的结合

20世纪40-50年代，是第一代电子管计算机。经历了电子管数字计算机、晶体管数字计算机、集成电路数字计算机和大规模集成电路数字计算机的发展历程，计算机技术逐渐走向成熟。

20世纪60-70年代，是对大型主机进行的第一次“缩小化”，可以满足中小企业事业单位的信息处理要求，成本较低，价格可被接受；

20世纪70-80年代，是对大型主机进行的第二次“缩小化”，1976年美国苹果公司成立，1977年就推出了Apple计算机，大获成功。1981年IBM推出IBM-PC，此后它经历了若干代的演进，占领了个人计算机市场，使得个人计算机得到了很大的普及；

80年代大型机的标准是运算速度每秒100万次到1000万次，字长为32—64位，主存储器的容量为0.5—8兆字节的计算机。大型机多为通用型机，主要用于计算机通信网。中型机的标准是计算速度每秒10万至100万次，字长32位，主存储器容量为1兆以下的计算机。主要用于中小型局部计算机通信网中的管理。小型机和微型机没有严格的界限，常见的PC系列机有PC，PC/XT，PC286，VAX等机型。单片机结构有很大差别。上述各种计算机的主要功能部件是以分

离的形式通过导线连接在一起的，以构成完整的计算机系统，而单片计算机则将所有的功能部件集成在一起，形成仅仅为一片集成电路的计算机。

随着计算机软件及硬件技术的迅猛发展，计算机以其强大的运算能力为人们所惊叹。迅速发展的计算机技术使人们摆脱了计算量大、计算复杂的束缚，为人们对复杂控制系统的研究提供了可能。

20世纪70年代，微型计算机的发展及显示技术和通讯技术的不断进步实现了计算机的直接参与控制，从根本上改变了现代控制系统的面貌，极大地促进了现代控制理论和自动化技术的发展。从历史的角度来看，自动化技术的发展经历了一个从机械到电子再到数字式电子计算机的历程，并在微型计算机时代达到了一个高峰。从发展的趋势来看，信息网络环境下的自动化、计算机集成制造系统、智能机器人等与计算机相关的方向将成为自动化发展的重要方向。

自动化未来的发展趋势

机电一体化

机电一体化是未来包装机械发展的趋势。一个完整的机电一体化系统，一般包括微机、传感器、动力原、传动系统、执行机构等部分，它摒弃了常规包装机械中的繁琐和不合理部分，而将机械、微机、微电子、传感器等多种学科的先进技术融为一体，给包装机械在设计、制造和控制方面都带来了深刻的变化，从根本上改变了包装机械的现状。

机械功能多元化

工商业产品已趋向精致化及多元化，在大环境变化下，多元化、弹性化且具有多种切换功能的包装机种方能适应市场需求。

结构设计标准化、模组化

充分利用原有机型模组化设计，可在短时间内转换新机型。

控制智能化

包装机械厂家普遍使用PLC动力负载控制器，虽然PLC弹性很大，但仍未具有电脑（含软件）所拥有的强大功能。未来包装机械必须具备多功能化、调整操作简单等条件，基于电脑的智能型仪器将成为食品包装控制器的新趋势。

结构运动高精度化

结构设计及结构运动控制等事关包装机械性能的优劣，可通过马达、编码器及数字控制（NC）、动力负载控制（PLC）等高精密控制器来完成，并适度地做产品延伸，朝高科技产业的包装设备来研发。

包装行业属于配套行业，涉及国民经济的许多领域，特别是食品行业与饮料行业，更是依赖于包装行业的技术进步和配套服务，因此，我们不能忽视包装机械落后的现状，努力积极推动包装业走上快速健康发展的自动化道路。