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。

简称浑天仪,为东汉科学家张衡创制的一件天文仪器。是一种水运浑象。用一个直径四尺多的铜球，球上刻有二十八宿、中外星官以及黄赤道、南北极、二十四节气、恒显圈、恒隐圈等，成一浑象，再用一套转动机械，把浑象和漏壶结合起来。以漏壶流水控制浑象，使它与天球同步转动，以显示星空的周日视运动，如恒星的出没和中天等。

是世界上第一架测验地震的仪器。中国东汉时期天文学家张衡于汉顺帝阳嘉元年（132）制成，候风地动仪用精铜制成，直径2.7米，其外形像一个大型酒樽。地动仪里面有精巧的结构，主要为中间的都柱（相当于一种倒立型的震摆）和它周围的八道（装置在摆的周围的8组机械装置）。在樽的外面相应地设置8条口含小铜珠的龙，每个龙头下面都有一只蟾蜍张口向上。如果发生较强的地震，都柱因受到震动而失去平衡，这样就会触动八道中的一道，使相应的龙口张开，小铜珠即落入蟾蜍口中，由此便可知道地震发生的时间和方向。

是中国古代一种大型的天文仪器，由宋朝天文学家苏颂等人创建。它是集观测

天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器，实际上是一座小型的天文台。这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明才智和富于创造的精神。

公元1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了一些机器人或机器动物来适应当时宗教活动的需要。如教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱和教堂门口自动鸣叫的青铜小鸟等自动装置。

近代自动装置17世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置，其中比较典型的有﹕法国物理学家B·帕斯卡在1642年发明能自动进位的加法器﹔荷兰机械师C·惠更斯于1657年发明钟表，提出钟摆理论，利用锥形摆作调速器；英国机械师E·李1745年发明带有风向控制的风磨，利用尾翼来使主翼对准风向﹔俄国机械师波尔祖诺夫1765年发明浮子阀门式水位调节器，用于蒸汽锅炉水位的自动控制。

社会的需要是自动化技术发展的动力。自动化技术是紧密围绕着生产、军事设备的控制以及航空航天工业的需要而形成和发展起来的。工业上的应用，是以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。1788年，瓦特为了解决工业生产中提出的蒸汽机的速度控制问题，把离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速调节系统，使蒸汽机变为既安全又实用的动力装置。此时的自动化装置是机械式的，而且是自力型的。

试例举中国古代的自动化装置。

1.2无处不在的自动化

经典控制理论:20世纪40年～20世纪50年代

经典控制理论以传递函数为基础，已频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，对单输入单输出控制系统进行分析与设计。

现代控制理论:20世纪60年代获得迅猛发展

现代控制理论是在经典控制理论的基础上，于60年代以后发展起来的。它的主要内容是以状态空间为基础，研究多输入、多输出、时变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的研究课题。

与经典线性控制理论相比，现代线性系统主要特点是：研究对象一般是多变量线性系统，而经典线性理论则以单输入单输出系统为对象；除输入和输出变量外，还描述系统内部状态的变量；在分析和综合方面以时域方法为主而经典理论主要采用频域方法；使用更多数据工具。

大系统理论:20世纪70年代开始

原有的控制理论，不论是经典控制理论，还是现代控制理论，都是建立在集中控制的基础上，即认为整个系统的信息能集中到某一点，经过处理，再向系统各部分发出控制信号。这种理论应用到大系统时遇到了困难。这不仅由于系统庞大，信息难以集中，也由于系统过于复杂，集中处理的信息量太大，难以实现。因此需要有一种新的理论，用以弥补原有控制理论的不足。

系统理论，关于大系统分析和设计的理论。大系统的特征是：规模庞大、结构复杂（环节较多、层次较多或关系复杂）、目标多样、影响因素众多，且常带有随机性的系统。这类系统不能采用常规的建模方法、控制方法和优化方法来分析和设计，因为常规方法无法通过合理的计算工作得到满意的解答。随着生产的发展和科学技术的进步，出现了许多大系统，如电力系统、城市交通网、数字通信网、柔性制造系统、生态系统、水源系统和社会经济系统等。这类系统都具有上述特点，因此造成系统内部各部分之间通信的困难，提高了通信的成本，降低了系统的可靠性。大系统有两种常见的结构形式：①多层结构。这种结构是把一个大系统按功能分为多层次，其中最低层为调节器，它直接对被控对象施加控制作用。②多级结构。这种结构是在对分散的子系统实行局部控制的基础上再加一个协调级去解决子系统之间的控制作用不协调问题。

智能控制理论:20世纪90年代至今

随着计算机网络的迅速发展﹐管理自动化取得较大进步﹐出现了管理信息系统﹑办公自动化﹑决策支持系统。智能化程度日益增加，自动化技术不仅仅是减轻和代替了人们的体

力劳动，而且也在很大程度上代替了人们的脑力劳动。

人类开始综合利用传感技术﹑通信技术﹑计算机﹑系统控制和人工智能等新技术和新方法来解决所面临的工厂自动化﹑办公自动化﹑医疗自动化﹑农业自动化以及各种复杂的社会经济问题。研制出柔性制造系统﹑决策支持系统﹑智能机器人和专家系统等高级自动化

系统。

50多年来，中国控制仪表和控制系统在经历了气动基地式仪表、电动（气动）单元组合仪表、智能数字调节器几代控制仪表的发展过程后，进入了DCS、FCS、PCBCS控制系

统并存的时代。

在工业生产过程中，1969年问世的PLC可编程控制器和1975年问世的DCS集散控制系统可能是两类影响最为深远的计算机控制系统。

PLC 的问世取代了继电器之类的器件，实现了开关量的连锁控制、程序控制；

DCS的问世取代了显示仪、调节器之类的仪表，实现了模拟量的指示、记录和PID回路调节等功能。

20世纪80年代末期，随着计算机技术、通信技术、集成电路技术、智能传感器技术的发展而出现的现场总线控制系统（Fieldbus Control System , FCS ）改变了原有控制系统的结构，使控制系统由封闭向开放走出了重要的一步。

20世纪90年代中期，以PC为基础的控制系统（PC-Based Control System，PCBCS）开始出现，不少学者认为它将是工业自动化领域最具发展潜力的新技术，他们将PCBCS 与PLC 、DCS、(或者再加上FCS)并称为工业生产过程三大（或四大）控制系统。PCBCS 控制系统主要由以三部分组成：PC机；I/O组件及其连接件；操作系统软件和应用软件。PCBCS是将经过加固的PC机硬件与控制软件相结合，实施通常由专用PLC、DCS执行的控制功能，或者说将PLC的控制功能"封装在"软件内，运行在PC的环境中。PC机将以往PLC、DCS控制系统中的操作站、控制站溶为一体，同时具备实施控制、通信及操作显示等

多项功能。

? 目前应用最多的检测仪表主要是DDZ－Ⅲ型模拟仪表和部分智能型仪表。

? 考虑到控制系统逐渐向FCS方向发展，因此现场总线技术和现场总线仪表的应用将日渐广泛。

? 当采用常规检测和控制仪表时，控制系统的结构是由各仪表单元组合而成和各自独立的控制系统，各环节之间采用的是点对点联接的方法。

? 当采用计算机或数字控制器作为控制单元时，系统的结构就可能是多样的，但其基本控制原理差别不大。例如：有直接数字控制系统DDC、集散控制系统DCS、现场总线控制系统FCS。

? 在网络化的控制回路系统中，多数检测和仪表单元均是通过网络相互联接和传送信息的。

? 科技的进步，促使自动化仪表的不断更新与完善，从而又进一步拓展了自动化仪表的应用领域，构成各种不同功能的自动化装置，推动了控制系统的变革与发展，使控制系统由原来的常规控制系统到直接数字控制系统DDC、集散控制系统DCS、现场总线控制系统FCS等，以满足社会生产力的不同需要。

试例举日常生活中的自动化装置。