自动化科技史略谈

自动化科技史略谈课程：中国科技史教授：系别：自动化系年级：09级学号：PB09210231姓名：王天鹏目录1．自动化的定义2.中国古代的自动化成果3.自动化的基础----轮4.自动化的前景5.参考文献自动化的定义相传，四千多年前，蚩尤与炎黄联盟大战，蚩尤施展魔法，弄出漫天大雾，方向难辨。黄帝部落一个叫风后的臣子制造指南车，长指南方，为炎黄同盟作战指明了方向，最终炎黄大军大败蚩尤，而指南车也因此战而留下了神秘的色彩。而指南车，就是一种自动的，无需人力的装置。自动化装置的出现，是为了满足人们日常生活中节约劳力的要求。我国古代就出现了许多精密复杂的自动化装置。随着社会的发展，越来越多的自动化装置应运而生，但我们还是不得不感叹老祖宗的智慧！自动化装置严格意义上的开始，应该是在蒸汽机的发明之后，蒸汽机的原理是之后出现的自动化装置的动力来源。就现在意义而言，一个装置，若没有稳定的动力提供，就不能被称为自动化装置。“自动化(Automation)”是美国人D.S.Harder于1936年提出的他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是“自动化”。如今，自动化的定义是[1]：自动化（Automation）表示机器或设备在无人干预的前提下，按规定的程序或指定自动进行操作或控制以达到预定要求。中国古代自动化成果[2]尽管中国在明清时期科技开始落后世界，但我国古代的科学家和能工巧匠却制作出了许多令人叹为观止的精巧仪器。1．指南车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”。2．漏壶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。3．记里鼓车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。4．漏水转浑天仪简称浑天仪。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。5．候风地动仪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。6.水运仪象台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。现实生活中，人们用自己的热情与智慧，创造出了一样又一样的自动化设备。在文学创作中，也有许多自动化装置，其中最著名的要数《三国演义》中诸葛亮设计的木牛流马。自动化的基础----轮[3]人类在过去的相当长的一段时间里基本上没有进步，然而在进入原始社会后，开始飞速发展，尤其是工业革命以来，发展更为迅猛。而这一切发展的根源都是要归功于轮的。如果说火的使用是人类史上的第一次飞跃，那么轮的发明就应当是人类社会进步史上的第二次飞跃。可以毫不含糊的肯定，轮的产生，使人类进步坐上了火车。美国著名人类学家罗伯特·路威曾断言：凡使用轮车的民族，无一不是直接间接从巴比伦学来的。美洲的印第安人知道在滚木上拖船，也使用纺轮，又有滚铁环之戏，但以轮行车这个意思始终没有想到。路威对轮子起源的观点也是大多数考古学家的观点。但新的考古发现往往颠覆陈旧的理论。德国Flintbek巨石墓下的车辙是公元前4800－4700年间留下的。在波兰Bronocice发现的带车形图案的罐子被定位在公元前4725年以前，但是对该地层的七次碳-14测年倾向于公元前4610-4440年的结论。而近东出现轮式运输工具的最早证据是美国考古学家Baldia在位于叙利亚的晚期Uruk遗址发现的。那里出土了一个带有轮子的模型和“货车”的壁画。这些东西是先民在距今6400-6500年前留下的。轮的一个应用就是车轮[4]。[车轮的前身是制陶用的轮子，古人用它可以成批制作陶器[01在陶轮上制作陶器]，这是人类最早的工艺品和容器。最简单的陶轮只需一对盘形的车轮，轮盘之间装一根轴，轴直立竖放；陶工一面用脚旋转下面的轮盘，一面用手将柔软的粘土置于上面的轮盘中，塑捏成形。美索不达米亚最早的轮子只是一些圆形的板，和轴牢牢地钉在一起。到公元前3000年时，已将轴装到手推车上，轮子不直接和车身相连。以后不久，又出现了装有轮辐的车轮。这种原始的手推车虽然笨拙得很，但比从前一直使用的人的肩膀和驮兽（通常是驴子）要好得多。车轮的情况在中国是怎样的呢？中国古代有传说是轩辕黄帝把木头插在圆轮子中央，使它运转，因而造成车辆。这是不可信的。据英国科学史家李约瑟考证的结论，约在四千五百年到三千五百年前，中国出现了第一辆车子。而《左传》中提到，车是夏代初年的奚仲发明的，如果记载属实，那是四千年前的事情。在殷代（距今三千多年前）文物中，考古学家也发现了殉葬用的车，当时的车子由车厢、车辕和两个轮子构成，已经是比较成熟的交通工具了。轮的另一个重要应用就是齿轮[5]。早在西元前2000年左右，中、外历史上就已有使用齿轮的记载，齿轮机构可以说是人类最古老的机械元件之一。但是一直要到十七世纪后半叶，才有齿轮齿形的理论研究，加工方法是利用成形铣刀铣削轮齿，加工效率很低。近代的齿轮工业技术要等到19世纪末，齿轮加工技术有所突破之后才突飞猛进。换言之，近100年的齿轮技术发展史，可以说就是齿轮加工技术的发展史。谈到齿轮的历史，身为中国人不免要提到黄帝时代(约4500年前)的指南车，如图1所示，这是古代中国人智慧的代表，指南车上人偶与车轮之间藉由一串复杂的差速齿轮传动机构传动，当我们把车上的人手指向南方之后，不论车轮往那一个方向走，车上的人手永远指向南方。车轮和齿轮，共同加快了人类历史的脚步。很难想象，没有车轮，我们的社会运输速度会是什么样子，没有齿轮，机器如何运转。自动化的历史[6]与前景1.自动装置的出现和应用（18世纪以前）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。2.自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）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。3.控制理论的发展（1）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。（2）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。4．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。5．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