自动化技术史

自动化技术史引言自古以来﹐人类就有创造自动装置以减轻或代替人劳动的想法。

自动化技术的产生和发展经历了漫长的历史过程。

古代中国的铜壶滴漏(简称漏壶)﹑指南车以及17世纪欧洲出现的钟表和风磨控制装置﹐虽然都是毫无联系的发明﹐但对自动化技术的形成却起到了先导作用。

自动化技术的发展历史﹐大致可以划分为自动化技术形成﹑局部自动化和综合自动化三个时期。

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。

1788年﹐J.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。

瓦特的这项发明开创了自动调节装置的研究和应用。

在解决随之出现的自动调节装置的稳定性的过程中﹐数学家提出了判定系统稳定性的判据﹐积累了设计和使用自动调节器的经验。

20世纪40年代是自动化技术和理论形成的关键时期﹐一批科学家为了解决军事上提出的火炮控制﹑鱼雷导航﹑飞机导航等技术问题﹐逐步形成了以分析和设计单变量控制系统为主要内容的经典控制理论与方法。

机械﹑电气和电子技术的发展为生产自动化提供了技术手段。

1946年﹐美国福特公司的机械工程师D.S.哈德首先提出用自动化一词来描述生产过程的自动操作。

1947年建立第一个生产自动化研究部门。

1952年J.迪博尔德第一本以自动化命名的《自动化》一书出版﹐他认为“自动化是分析﹑组织和控制生产过程的手段”。

实际上﹐自动化是将自动控制用于生产过程的结果。

50年代以后﹐自动控制作为提高生产率的一种重要手段开始推广应用。

它在机械制造中的应用形成了机械制造自动化﹔在石油﹑化工﹑冶金等连续生产过程中应用﹐对大规模的生产设备进行控制和管理﹐形成了过程自动化。

电子计算机的推广和应用﹐使自动控制与信息处理相结合﹐出现了业务管理自动化。

50年代末到60年代初﹐大量的工程实践﹐尤其是航天技术的发展﹐涉及大量的多输入多输出系统的最优控制问题﹐用经典的控制理论已难于解决﹐于是产生了以极大值原理﹑动态规划和状态空间法等为核心的现代控制理论。

现代控制理论提供了满足发射第一颗人造卫星的控制手段﹐保证了其后的若干空间计画(如导弹的制导﹑航天器的控制)的实施。

控制工作者从过去那种只依据传递函数来考虑控制系统的输入输出关系﹐过渡到用状态空间法来考虑系统内部结构﹐是控制工作者对控制系统规律认识的一个飞跃。

60年代中期以后﹐现代控制理论在自动化中的应用﹐特别是在航空航天领域的应用。

产生一些新的控制方法和结构﹐如自适应和随机控制﹑系统辨识﹑微分对策﹑分布参数系统等。

与此同时﹐模式识别和人工智能也发展起来﹐出现了智能机器人和专家系统。

现代控制理论和电子计算机在工业生产中的应用﹐使生产过程控制和管理向综合最优化发展。

70年代中期﹐自动化的应用开始面向大规模﹑复杂的系统﹐如大型电力系统﹑交通运输系统﹑钢铁联合企业﹑国民经济系统等﹐它不仅要求对现有系统进行最优控制和管理﹐而且还要对未来系统进行最优筹划和设计﹐运用现代控制理论方法已不能取得应有的成效﹐于是出现了大系统理论与方法。

80年代初﹐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。

与此同时﹐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。

自动化技术的发展历史是一部人类以自己的聪明才智延伸和扩展器官功能的历史﹐自动化是现代科学技术和现代工业的结晶﹐它的发展充分体现了科学技术的综合作用。

自动装置的出现和应用(18世纪以前)古代人类在长期生产和生活中﹐为了减轻自己的劳动﹐逐渐产生利用自然界动力代替人力畜力﹐以及用自动装置代替人的部分繁难的脑力活动的愿望﹐经过漫长岁月的探索﹐他们互不相关地造出一些原始的自动装置。

古代自动装置公元前14～前11世纪﹐中国﹑埃及和巴比伦出现了自动计时装置──漏壶﹐为人类研制和使用自动装置之始。

中国的漏壶最初使用泄水型漏壶﹐后来采用受水型漏壶﹐经过不断改进﹐又发展成三级漏壶。

1135年﹐中国的燕肃在一种名叫莲化漏的三级漏壶中采用了自动装置调节液位。

在中国的三国时期﹐使用了自动指向的指南车﹐据分析这是利用开环或闭环原理制成的自动装置。

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。

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征兆的候风地动仪。

1086～1092年中国苏颂等人把浑仪(天文观测仪器)﹑浑象(天文表演仪器)和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。

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И.И.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。

自动化技术形成时期(18世纪末～20世纪30年代)1788年英国机械师J.瓦特发明离心式调速器(又称飞球调速器)﹐并把它与蒸汽机的阀门连接起来﹐构成蒸汽机转速的闭环自动控制系统(见图瓦特离心式调速器对蒸汽机转速的控制)。

瓦特的这项发明开创了近代自动调节装置应用的新纪元﹐对第一次工业革命及后来控制理论的发展有重要影响。

自动调节器的广泛应用在这一时期中﹐由于第一次工业革命的需要﹐人们开始采用自动调节装置﹐来对付工业生产中提出的控制问题。

这些调节器都是一些跟踪给定值的装置﹐使一些物理量保持在给定值附近。

自动调节器应用标志着自动化技术进入新的历史时期。

1854年俄国机械学家和电工学家К﹒И﹒康斯坦丁诺夫发明电磁调速器。

1868年法国工程师J.法尔科发明反馈调节器﹐并把它与蒸汽阀连接起来﹐操纵蒸汽船的舵。

他把这种自动控制的气动船舵称为伺服机构。

到了20世纪20～30年代﹐美国开始采用PID调节器。

PID调节器是一种模拟式调节器﹐现在还有许多工厂采用这种调节器。

自动调节器的稳定性问题由于瓦特发明的离心式调速器有时会造成系统的不稳定﹐使蒸汽机产生剧烈的振荡。

到了19世纪又发现船舶上自动操舵机的稳定性问题。

这就迫使一些数学家用微分方程来描述和分析系统的稳定性问题。

1868年英国物理学家J.C.麦克斯韦发表《论调速器》的文章﹐总结了无静差调速器的理论。

1876年俄国机械学家И﹒А﹒维什涅格拉茨基在法国科学院院报上发表《论调节器的一般理论》的文章﹐进一步总结了调节器的理论。

维什涅格拉茨基用摄动理论使调节问题大为简化。

他用线性微分方程来描述整个系统(调节器与被调对象组成的系统)﹐把问题变成只要研究齐次方程的通解所决定的运动情况﹐使调节系统的动态特性仅决定于两个参量。

由此推得系统的稳定条件﹐把参量平面划分成稳定域和不稳定域(后称维什涅格拉茨基图)。

1877年英国数学家E.J.劳思提出代数稳定判据﹐即著名的劳思稳定判据。

1895年德国数学家A.胡尔维茨提出代数稳定判据的另一种形式﹐即著名的胡尔维茨稳定判据。

劳思-胡尔维茨稳定判据是当时能事先判定调节器稳定性的重要判据。

1892年俄国数学家李雅普诺夫﹐А.М.发表《论运动稳定性的一般问题》的专着﹐从数学方面给运动稳定性的概念下了严格的定义﹐并研究出解决稳定性问题的两种方法。

李雅普诺夫第一法又称一次近似法﹐明确了用线性微分方程分析稳定性的确切适用范围。

李雅普诺夫第二法又称直接法﹐不仅可以用来研究无穷小偏移时的稳定性(小范围内的稳定性)﹐而且可以用来研究一定限度偏移下的稳定性(大范围内的稳定性)。

李雅普诺夫稳定性理论至今仍是分析系统稳定性的重要方法。

反馈控制和频率法进入20世纪以后﹐工业生产中广泛应用各种自动调节装置﹐促进了对调节系统进行分析和综合的研究工作。

这一时期虽然在自动调节器中已广泛应用反馈控制的结构﹐但从理论上研究反馈控制的原理则是从20世纪20年代开始的。

1927年美国贝尔电话实验室的电气工程师H.S.布莱克在解决电子管放大器失真问题时首先引入反馈的概念。

1925年英国电气工程师O.亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电网络的问题上﹐提出了运算微积。

不久拉普拉斯变换就被应用到分析自动调节系统的问题上﹐并取得了显著成效。

传递函数就是在拉普拉斯变换的基础上引入的描述线性定常系统或线性元件的输入输出关系的函数﹐是分析自动调节系统的重要工具。

在传递函数基础上发展起来的频率响应的方法即频率法已成为经典控制理论中分析和综合自动调节系统的重要方法。

1932年美国电信工程师奈奎斯特﹐H.提出著名的奈奎斯特稳定判据﹐可以直接根据系统的传递函数来判定反馈系统的稳定性。

1938年苏联电气工程师A.B.米哈伊洛夫应用频率法来研究自动调节系统的稳定性﹐提出著名的米哈伊洛夫稳定判据。

程序控制和自动机1833年英国数学家C.巴贝奇在设计分析机时首先提出程序控制的原理。

他想用法国发明家J.M.雅卡尔设计的编织地毯花样用的穿孔卡方法来实现分析机的程序控制。

1936年英国数学家图灵﹐A.M.提出著名的图灵机﹐用来定义可计算函数类﹐建立了算法理论和自动机理论。

1938年美国电气工程师香农﹐C.E.和日本数学家中岛﹐以及1941年苏联科学家В﹒И﹒舍斯塔科夫﹐分别独立地建立了逻辑自动机理论﹐用仅有两种工作状态的继电器组成了逻辑自动机﹐实现了逻辑控制。

经典控制理论的诞生1922年N.米诺尔斯基发表《关于船舶自动操舵的稳定性》﹐1934年美国科学家H.L.黑曾发表《关于伺服机构理论》﹐1934年苏联科学家И﹒Н﹒沃兹涅先斯基提出《自动调节理论》﹐1938年苏联电气工程师A.B.米哈伊洛夫提出《频率法》。

这些论文标志着经典控制理论的诞生。

1939年苏联科学院成立自动学和远动学研究所(1969年改名为控制问题研究所)。

同年美国麻省理工学院建立伺服机构实验室。

这是世界上第一批系统与控制的专业研究机构﹐为20世纪40年代形成经典控制理论和发展局部自动化作了理论上和组织上的准备。

局部自动化时期(20世纪40～50年代)第二次世界大战时期形成的经典控制理论对战后发展局部自动化起了重要的促进作用。

在第二次世界大战期间﹐德国的空军优势和英国的防御地位﹐迫使美国﹑英国和西欧各国科学家集中精力解决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。