自动化的概念和发展简史

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　　　　自动化的概念和发展简史

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　　　　基本概念

　　　　自动化，　自动化，是指机器或装置在无人干预的情况下按　规定的程序或指令自动地进行操作或运行。　规定的程序或指令自动地进行操作或运行。　自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的　自动控制是关于受控系统的分析、　理论和技术。　理论和技术。　自动化主要研究的是人造系统的控制问题，　自动化主要研究的是人造系统的控制问题，控制　则除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、　则除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、　环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制、　环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制、　经济控制、社会控制及人口控制等。　经济控制、社会控制及人口控制等。

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　　　　我国古代自动装置

　　　　中国古代能工巧匠发明许多原始的自动装置，　中国古代能工巧匠发明许多原始的自动装置，以满足　生产、生活和作战的需要。其中比较著名有下述的几种：　生产、生活和作战的需要。其中比较著名有下述的几种：　（１）　（２）　（３）　（４）　（５）　（６）　（７）　（８）　指南车　铜壶滴漏　浮子式阀门　饮酒速度的自动调节　计里鼓车　漏水转浑天仪　候风地动仪　水运仪象台

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　　　　指南车

　　　　指南车是中国古代用来　指示方向的一种具有能　自动离合的齿轮系装置　的车辆。　的车辆。

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　　　　指　南　车　原　理

　　　　齿轮系

　　　　车辆　转弯

　　　　车身

　　　　木人

　　　　方向

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　　　　铜壶滴漏——

　　　　中国古代的自动计时（测量时间）装置，又称刻漏或漏刻。　中国古代的自动计时（测量时间）装置，又称刻漏或漏刻。

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　　　　饮酒速度自动调节器

　　　　７

　　　　计里鼓车

　　　　８

　　　　候风地动仪图

　　　　候风地动仪图

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　　　　自动化技术发展简史

　　　　自动装置的出现和应用（１８世纪以前）　自动装置的出现和应用（　世纪以前　世纪以前）　？　自动化技术形成时期　（　１８世纪末至　世纪　自动化技术形成时期（　世纪末至　世纪末至２０世纪

　　　　３０年代）　年代）　年代

　　　　局部自动化时期　（２０世纪　世纪４０－５０年代　年代）　世纪　年代　？　综合自动化时期（２０世纪　年代末起至今　综合自动化时期（　世纪　年代末起至今）　世纪５０年代末起至

今

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　　　　自动装置的出现和应用（　世纪以前　世纪以前）　自动装置的出现和应用（１８世纪以前）

　　　　（１）　古代自动装置

　　　　中国和巴比伦出现了自动计时装置—刻漏、　中国和巴比伦出现了自动计时装置　刻漏、指南车　、　刻漏　水运仪象台等。公元１世纪古埃及和希腊的发明家也创造　水运仪象台等。公元　世纪古埃及和希腊的发明家也创造　了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、　了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱　等自动装置。　等自动装置。　中国天文学家张衡（公元　中国天文学家张衡（公元７８－１３９）曾经发明了对天体　）　运行情况自动仿真的漏水转浑天仪和自动检测地震的候风　地动仪。公元１０８８年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪　地动仪。公元　年　中国苏颂等人把浑仪（　）、浑象　天文表现仪器）　浑象（　器）、浑象（天文表现仪器）和自动计时装置结合在一起　建成了水运仪象台。　建成了水运仪象台。　“自动控制”作为一种技术掌握在发明家的手中　自动控制”

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　　　　（２）　近代自动装置

　　　　法国物理学家Ｂ．帕斯卡（　法国物理学家　帕斯卡（Ｐａｓｃａｌ）在公元　帕斯卡　）　１６４２年发明的加法器　年发明的加法器　荷兰机械师Ｃ．惠更斯　惠更斯（　荷兰机械师　惠更斯（Ｈｕｙｇｅｎｓ）于公元　）　１６５７年发明钟表　年发明钟表　英国机械师Ｅ．李　英国机械师　李（Ｌｅｅ）在公元　）在公元１７４５年发明　年发明　带有风向控制的风磨　俄国机械师И．И．波尔祖诺夫于公元　波尔祖诺夫于公元１７６５年　俄国机械师　波尔祖诺夫于公元　年　发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式　阀门水位调节器。　阀门水位调节器。　　　　１２

　　　　自动化技术形成时期（　世纪末至　世纪末至２０　自动化技术形成时期（１８世纪末至　世纪３０年代　年代）　世纪　年代）

　　　　公元１７８８年　Ｊ．瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接　年　瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接　公元　起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统（　起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统（图２．１６）　）

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　　　　反馈和自动调节系统的稳定性

　　　　反馈（　反馈（Ｆｅｅｄｂａｃｋ）是指将系统的实际输出和期望输出　）　进行比较，形成误差，　进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供　依据。　依据。　人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振荡　人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，　（不稳定）。这迫使一些数学家从理论上来加以研究，创　不稳定）。这迫使一些数学家从理论上来加以研究，　）。这迫使一些数学家从理论上来加以研究　造多种稳定判据。　造多种稳定判据。

　　　　稳定性是自动控制中极重要的概念

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　　　　经典控制理论

　　　　进入２０世纪以后，　进入　世纪以后，工业生产中广泛应用各种自动调　世纪以后　节装置，促进了对调节系统的分析和综合的研究。　节装置，促进了对调节系统的分析和综合的研究。　稳定判据加上公元１９２２年Ｎ．米诺尔斯基《关于船舶自　年　米诺尔斯基　米诺尔斯基《　稳定判据加上公元　动操舵的稳定性》　年美国Ｈ．Ｌ．黑曾（Ｈａｚｅｎ）发表　黑曾（　动操舵的稳定性》和１９３４年美国　年美国　黑曾　）　关于伺服机构理论》　的《关于伺服机构理论》的论文标志着经典控制理论的诞　生。

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　　　　前向通道　给定环节　给　定　误差　输入　＋　＿　控制器

　　　　扰　动　输　出

　　　　放大　环节

　　　　执行环　节

　　　　被　控　对　象

　　　　反　馈　信号

　　　　反馈环节　反馈通道

　　　　反馈控制系统框图

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　　　　世纪４０－５０年代　年代）　局部自动化时期　（２０世纪　世纪　年代

　　　　经典控制理论的形成和发展　局部自动化的广泛应用　电子数字计算机的发明　　　　１７

　　　　自动防空火力控制系统

　　　　在第二次世界大战期间，　在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和　飞机自动导航系统等军事技术问题，　飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出　各种精密的自动调节装置，　各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制　这一新的科学领域。　这一新的科学领域。

　　　　１８

　　　　经典控制理论的形成和发展

　　　　代数稳定判据　传递函数　根轨迹法（Ｗ．埃文斯（Ｅｖａｎｓ）１９４８年）　埃文斯（　根轨迹法　埃文斯　）　年　频率法

　　　　１９

　　　　局部自动化的广泛应用

　　　　模拟计算机　气动单元组合仪表　智能化的仪表和控制器

　　　　２０

　　　　电子数字计算机

　　　　电子管、晶体管、　电子管、晶体管、集成电路和大规模集成　电路　数字计算机直接控制生产过程　数字计算机是现在自动控制系统的一个重　要组成部分

　　　　２１

　　　　国产巨型“银河Ⅱ　国产巨型“银河Ⅱ”电子数字计算机

　　　　国产巨型“银河Ⅲ　国产巨型“银河Ⅲ”电子数字计算机

　　　　２２

　　　　综合自动化时期（　世纪　年代末起至今）　世纪５０年代末起至今　综合自动化时期（２０世纪　年代末起至今）

　　　　现代控制理论的形成和发展　Л．庞特里亚金提出极大值原理　庞特里亚金提出极大值原理　Ｒ．贝尔曼创立动态规划　贝尔曼创立动态规划　Ｒ．卡尔曼提出状态空间法　卡尔曼提出状态空间法　（可控性、可观性、最优状态估计等　可控性、　可控性　可观性、最优状态估计等）

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　　　　现代控制理论的发展　系统辩识、　系统辩识、建模与仿真　自适应控制　遥测、　遥测、遥控和遥感　大系统理论　模式识别和人工智能　智能控制

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　　　　（１）系统辩识、建模与仿真　）系统辩识、

　　　　系统辩识是根据系统输入、输出数据为系统建立数学模　系统辩识是根据系统输入、　型的理论和方法。　型的理论和方法。此外建立数学模型还可以采用解析法和实　验方法。通常有必要在仿真设备上试验系统，包括建立、　验方法。通常有必要在仿真设备上试验系统，包括建立、修　复现系统的模型，这称为系统仿真。　改、复现系统的模型，这称为系统仿真。

　　　　（２）　自适应控制

　　　　自适应控制能在对象数学模型变动和系统外界信息不完备　的情况下改变反馈控制器的特性，以保持良好的工作品质。　的情况下改变反馈控制器的特性，以保持良好的工作品质。

　　　　（３）　遥测、遥控和遥感　遥测、

　　　　遥测就是对被测对象的某些参数进行远距离测量。　遥测就是对被测对象的某些参数进行远距离测量。遥控　就是对被控对象进行远距离控制。　就是对被控对象进行远距离控制。遥感就是利用装载在飞机　或人造卫星等运载工具上的传感器，　或人造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标物反射　或发射出来的电磁波，　或发射

出来的电磁波，再根据这些数据来获得关于目标物　如矿藏、森林、作物产量等）的信息。　（如矿藏、森林、作物产量等）的信息。

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　　　　（４）　大系统理论的诞生

　　　　开始对出现的大系统如大电力系统、化工联合企业、　开始对出现的大系统如大电力系统、化工联合企业、　钢铁联合企业及社会经济大系统等开始进行了研究。　钢铁联合企业及社会经济大系统等开始进行了研究。特别　是高速大型计算机的出现为大系统的研究和大量计算提供　了前提条件。　了前提条件。　大系统理论的重要作用在于对大系统进行调度优化和　控制优化，通过分解－协调以较短时间计算出优化结果。　控制优化，通过分解　协调以较短时间计算出优化结果。　协调以较短时间计算出优化结果

　　　　（５）　模式识别和人工智能

　　　　使用电子数字计算机直接接受和处理各种自然的模式　消息，如语言、文字、图象、景物等。　消息，如语言、文字、图象、景物等。人工智能学者已研　制出用于医疗诊断、地质勘探、金融决策、军事指挥、　制出用于医疗诊断、地质勘探、金融决策、军事指挥、大　规模集成电路设计等各种专家系统；研制出智能机器人，　规模集成电路设计等各种专家系统；研制出智能机器人，　如有视觉和触觉的机器人和能与人对答的机器人等等。　如有视觉和触觉的机器人和能与人对答的机器人等等。　　　　２６

　　　　（６）　智能控制的诞生

　　　　将人工智能引入到自动控制系统，形成智能控制系统。　将人工智能引入到自动控制系统，形成智能控制系统。　这是新一代的自动控制系统。它的特点是具有智能，　这是新一代的自动控制系统。它的特点是具有智能，能解决　一些以往的自动控制解决得不好或者不能解决的控制问题。　一些以往的自动控制解决得不好或者不能解决的控制问题。　它将人工智能中的专家系统、学习控制、　它将人工智能中的专家系统、学习控制、模糊逻辑控制　和具有多层感知器的神经网络等分别与自动控制和系统工程　的一些方法相结合，形成一些新的、　的一些方法相结合，形成一些新的、具有独特性能的智能自　动控制系统，如智能机器人。　动控制系统，如智能机器人。　　　　２７

　　　　智能和水下机器人

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　　　　综合自动化

　　　　２０世纪　年代末到　年代初，开始出现电子数字计算机控　世纪５０年代末到　年代初，　世纪　年代末到６０年代初　制的化工厂，　年代末在制造工业中出现了许多自动生产线　年代末在制造工业中出现了许多自动生产线，　制的化工厂，６０年代末在制造工业中出现了许多自动生产线，　工业生产开始由局部自动化向综合（全盘）自动化方向发展。　工业生产开始由局部自动化向综合（全盘）自动化方向发展。　７０年代出现用专用机床组成的无人工厂，８０年代初才出现用柔　年代出现用专用机床组成的无人工厂，　年代初才出现用柔　年代出现用专用机床组成的无人工厂　性制造系统组成的无人工厂。　性制造系统组成的无人工厂。

　　　　无　人　加　工　车　间

　　　　２９

　　　　无人组装车间

　　　　３０

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