自动化的起源

自动化技术简要发展史

广义的自动化，是指在人类的生产、生活和管理的一切过程中，通过采用一定的技术装置和策略，使得仅用较少的人工干预甚至做到没有人工干预，就能使系统达到预期目的的过程，从而减少和减轻了人的体力和脑力劳动，提高了工作效率、效益和效果。由此可见，自动化涉及到人类活动的几乎所有领域，因此，自动化是人类自古以来永无止境的梦想和追求目标。

自动化技术的发展大致可分为工匠、技术化、理论化、网络化与智能化等

几个阶段。

一、工匠阶段

人类很早就进行了简陋自动化装置的探索，留下了许多记载与传说，但由于技术与理论都没有真正地发展起来，直至1788年之前，都未能有重大的突破。这里列举几个较为著名的古代自动化装置。中国的指南车是广为传说与记载的古代发明，它始于西汉甚至更早，现已有复制品，但可能由于其自身的固有缺陷或是有了更为方便的指南工具，指南车没有真正得到使用。除了指南车外，还有记里鼓车，著名科学家张衡（公元78－139年）发明的混天仪、水运气象台等。公元3世纪，希腊人发明了水钟。另外，古代传说中的在重要位置安放的各种暗算机关，也是早期的自动化装置的尝试。据说，达·芬奇为路易十二制造过供玩赏用的机器狮，这可以说是最简单的机器人。

二、技术化和理论化阶段

标志人类社会工业革命开始的是瓦特于1788年发明的蒸汽机，它同样也标志着自动化领域技术化和理论化阶段的开始。具有良好的自动控制系统也是蒸汽

机得以成功的必要条件之一。

在瓦特之前，已有人发明过各种各样的蒸汽机及相关控制装置，但没有真正地解决问题，主要原因有蒸汽的进气和排气是手动操纵的，转速不稳定等。瓦特的发明解决了这些问题，其蒸汽机的转速调节系统原理如图1-10所示。

如果转速由于蒸汽机负荷波动而下降，与蒸汽机连接的飞球系统的转动速度也下降，离心力减小，飞球相对位置下移，调节杠杆左端下降，使得杠杆右端上升，阀门开度增加，送入蒸汽机的蒸汽量增加，转速回升。反之亦然，可使系统的速度得以稳定。这是一个典型的具有负反馈的速度调节系统。

1868年，J．C．麦克思威尔发表了著名的关于调节器的论文，对反馈理论进行了深入的研究。同年，法国工程师J．法尔科发明了反馈调节器。至1920年，反馈理论已广泛地应用于电子放大器中，性能有了较大的改善。1920年，美国出现了PID（比例积分微分）调节器，并应用到化工和炼油过程。

到1948年，控制理论的经典部分都已基本提出，如，多种控制系统的稳定性分析方法、根轨迹法、频率分析法等。1946年，第一台电子计算机ENIAC问世。除了工业革命使自动化获得较为广泛的应用外，特别要提及的是在此之前的第一次和第二次世界大战极大地激发了自动控制在军事和军工领域的应用。

三、网络化和智能化方法

1948年，N．维纳的《控制论》一书，标志着自动化的理论基础——控制论正式诞生。同年，C．E．香农发表了《通讯的数字原理》，标志着信息论的诞生。连同1946年诞生的第一台计算机，它们标志着自动化技术进入了网络化与智能化的阶段，计算机技术的飞速发展大大推动了计算机控制系统的应用。同时，这些科技成果也标志着人类社会继农业革命和工业革命之后又一个伟大的变革

——信息革命的开始。

控制论并不仅仅是工业和工程领域的科学，它也是一种思想，一种方法，普遍适用于几乎所有领域。哲学家、数学家、军事家、政治家、工程师等都对它感兴趣。它的应用可分为四大领域：工程控制论、生物控制论、经济控制论、社会

控制论。

在这四大领域中，生物控制和社会控制非常复杂或敏感，目前发展还不深入，应用也不够；经济控制论，研究得很多，应用也不少，有些是经济学家渗透到控制学科，有的是控制论专家渗透进经济领域；工程控制论则是其中发展最完善、

应用最广泛的分支。

1954年，钱学森发表了《工程控制论》，标志着工程控制学科的正式诞生。工程控制包括各种工程领域，从被控制对象的性质来划分，可分为过程自动化和电气自动化两大类，但这种约定俗成的称呼并不贴切。过程自动化的特征是被控对象中所加工的材料主要是液体、气体和粉体等流体，或许称为流体处理过程控制或自动化更合适。电气自动化的特征是被控对象所处理的是元件、部件的加工和装配，或许叫做元部件处理过程控制或自动化更贴切。

随着计算机功能的日益强大与完善，体积的微型化，用计算机代替调节器已成气候，目前正朝着一切需要智能化处理的场所都用计算机的方向发展。

20世纪末，随着计算机和网络的逐步普及，管理自动化开始发挥越来越大的作用。在企业界，生产装置的控制与管理的自动化正融为一体。在信息处理技术的核心——计算机技术没有充分发展之前，人类关于人工智能、机器人等领域的研究，只能是美好的梦想。而今天，它们正逐步成为现实。大系统的优化和最优控制、机器人、航天技术等都预示着一个智能化和网络化的自动化时代已经开

始。

1.1自动化的起源

是我国古代伟大的发明之一，也是世界上最早的控制论机械之一。用英国著名科学

史专家李约瑟的话说，中国古代的指南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人类“第一架体内稳定机”。

相传在四千多年以前，我国南方有个九黎部族。有一年，他们的首领蚩尤，与炎帝族发生了冲突。于是，炎帝族和黄帝族联合起来，在涿鹿同九黎族进行了一次激烈的战斗。蚩尤使用魔法，造出漫天的大雾，把黄帝和他的军队团团围在里面。正当黄帝愁眉不展、万分焦急的时候，一个叫风后的臣子做了一辆指南车。有了指南车的引导，黄帝统帅的军队冲破重重迷雾，终于战胜了蚩尤。

指南车，又称司南车，是中国古代用来指示方向的一种机械装置。指南车与指南针相比在指南针利用电磁效应的原理截然不同，是根据差速齿轮原理设计的，它是利用齿轮传动

系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。不论车子转向何方，木人的手始终指向南方，“车虽回运而手常指南”。

是我国古代计时器的一种，我国现存最完整的成组型滴漏是元代仁宗延祐三年（公元1316年）铸造，全组由4个安放在阶梯上的漏壶组成，最上层称日壶，第二层称月壶，第三层称星壶，最底下一层称受水壶。各壶都有铜盖，受水壶铜盖中央插一把铜尺，尺上刻有12时辰的刻度，自下而上为子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥。铜尺前插一木制浮剑，木剑下端是一块木板，叫浮舟。水由日壶按次沿龙头滴下，受水壶中的水随时间的推移而逐渐增加，浮剑逐渐上升，从而读出时间。

这是一种会自动记载行程的车辆，1800年前的汉代，大科学家张衡发明了记里鼓车。记里鼓车的基本原理和指南车相同，也是利用齿轮机构的差动关系。据记载，记里鼓车分上下两层，上层设一钟，下层设一鼓。记里鼓车上有小木人，头戴峨冠，身穿锦袍高坐车上。车走十里，木人击鼓1次，当击鼓十次，就击钟一次。