自動化科技概論(第1講)

1、 岳偉 博士郵箱：QQ:148098475自動化科技創(chuàng)新及實踐自動化科技創(chuàng)新及實踐教材：教材：大學生課外科技創(chuàng)新作品集大學生課外科技創(chuàng)新作品集 本課程是用一定的理論知識結合實際的學習過程。要求大家將課本的知識成功應用于實際，同時能做出一定的創(chuàng)新！36學時：學時：12學時試驗和學時試驗和24學時課堂學時課堂最后兩節(jié)課給大家時間，實現(xiàn)自己的作品，作為本課程最后的評分標準！自動化科技的概念和發(fā)展簡史自動化科技的概念和發(fā)展簡史本章內(nèi)容本章內(nèi)容u3.1 自動化科技的概念自動化科技的概念u3.2 我國古代自動化裝置我國古代自動化裝置u3.3 自動化技術發(fā)展簡史自動化技術發(fā)展簡史一、自動化科技的概念一、自動

2、化科技的概念現(xiàn)代社會和現(xiàn)代生活離不開對一些物理量的控制，包現(xiàn)代社會和現(xiàn)代生活離不開對一些物理量的控制，包括實現(xiàn)對這種控制的自動化。括實現(xiàn)對這種控制的自動化。例如公共電網(wǎng)上的電壓是例如公共電網(wǎng)上的電壓是50Hz50Hz、220v220v的交流電。在發(fā)的交流電。在發(fā)電廠就要設法控制電壓、頻率這兩個物理量為恒值，這電廠就要設法控制電壓、頻率這兩個物理量為恒值，這要采用自動調壓和自動調頻裝置。要采用自動調壓和自動調頻裝置。在化肥廠控制反應釜在化肥廠控制反應釜( (塔塔) )內(nèi)溫度和壓力為恒值，使化內(nèi)溫度和壓力為恒值，使化學反應速度加快。學反應速度加快。而各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動控制的，特而

3、各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動控制的，特別用雙雷達控制的防空導彈可以自動跟蹤高空的飛行目標別用雙雷達控制的防空導彈可以自動跟蹤高空的飛行目標進行命中爆炸。進行命中爆炸。在機械加工廠金屬切削機床上，經(jīng)常是控制工件或刀具在機械加工廠金屬切削機床上，經(jīng)常是控制工件或刀具的轉速為恒值，使產(chǎn)品的質量、產(chǎn)量提高。的轉速為恒值，使產(chǎn)品的質量、產(chǎn)量提高。空調器保持室內(nèi)溫度為恒值，其他如冰箱、洗衣機無不空調器保持室內(nèi)溫度為恒值，其他如冰箱、洗衣機無不將一些物理量控制為恒值，而全自動洗衣機更把洗衣、將一些物理量控制為恒值，而全自動洗衣機更把洗衣、漂洗和脫水等操作自動按程序進行。漂洗和脫水等操作自動按程序進行

4、。自動化自動化(Automation)(Automation)表示機器或設備在無人干預的情表示機器或設備在無人干預的情況下，按規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制以達到?jīng)r下，按規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制以達到預定的要求。預定的要求。用手（通過感覺）來測試水的溫度，并將此溫度與他要用手（通過感覺）來測試水的溫度，并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過大腦）。同時他要決定求的值（給定值）相比較（通過大腦）。同時他要決定（通過大腦）：他的手應該朝哪個方向旋轉加溫用的蒸汽（通過大腦）：他的手應該朝哪個方向旋轉加溫用的蒸汽閥門和旋轉多大的角度。閥門和旋轉多大的角度。采用自動控制時上述功能都有

5、各種的元件和儀表來代替。采用自動控制時上述功能都有各種的元件和儀表來代替。例如溫度測量元件、控制記錄儀表和調節(jié)閥等。例如溫度測量元件、控制記錄儀表和調節(jié)閥等。自動化科學技術是一個涉及學科較多、應用廣泛的綜自動化科學技術是一個涉及學科較多、應用廣泛的綜合性科學技術，歸屬于控制科學與工程的范疇。合性科學技術，歸屬于控制科學與工程的范疇。自動化科學技術的內(nèi)容有自動控制和信號處理兩個方自動化科學技術的內(nèi)容有自動控制和信號處理兩個方面，包括理論、方法、應用硬件和軟件等。面，包括理論、方法、應用硬件和軟件等。從應用觀點來看，研究內(nèi)容有過程自動化、機械制造從應用觀點來看，研究內(nèi)容有過程自動化、機械制造自動化

6、、武器及軍事自動化、辦公室自動化和家庭自動自動化、武器及軍事自動化、辦公室自動化和家庭自動化等等?；鹊?。采用自動化技術不僅可以使人從繁重的體力勞動、部分采用自動化技術不僅可以使人從繁重的體力勞動、部分腦力勞動以及惡劣、危險的工作環(huán)境中解放出來，而且腦力勞動以及惡劣、危險的工作環(huán)境中解放出來，而且能擴展人的器官功能，極大地提高勞動生產(chǎn)率，增強人能擴展人的器官功能，極大地提高勞動生產(chǎn)率，增強人類認識世界和改造世界的能力。類認識世界和改造世界的能力。自動化是新的技術革命的一個重要方面。自動化技術的自動化是新的技術革命的一個重要方面。自動化技術的研究、應用和推廣，對人類的生產(chǎn)、生活的方式將產(chǎn)生深研究

7、、應用和推廣，對人類的生產(chǎn)、生活的方式將產(chǎn)生深遠影響。遠影響。二、我國古代自動裝置二、我國古代自動裝置中國古代能工巧匠發(fā)明許多原始的自動裝置，以滿足生中國古代能工巧匠發(fā)明許多原始的自動裝置，以滿足生產(chǎn)、生活和作戰(zhàn)的需要。指南車、銅壺滴漏、浮子式閥門、產(chǎn)、生活和作戰(zhàn)的需要。指南車、銅壺滴漏、浮子式閥門、記里鼓車、漏水轉渾天儀、候風地動儀、水運儀象臺等就記里鼓車、漏水轉渾天儀、候風地動儀、水運儀象臺等就是其中比較著名的幾種。是其中比較著名的幾種。(1)(1)指南車指南車中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車（中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車（235235年）年） 指南車是中國

8、古代用來指示方向的一種具有能自動離合指南車是中國古代用來指示方向的一種具有能自動離合齒輪系裝置的車輛。齒輪系裝置的車輛。據(jù)史書記載，東漢張衡據(jù)史書記載，東漢張衡( (公元公元7878139)139)、三國時代魏國、三國時代魏國的馬鈞、南齊的祖沖之都曾制造過指南車。的馬鈞、南齊的祖沖之都曾制造過指南車。指南車是一種馬拉的雙輪獨轅車，車箱上立一個伸臂的指南車是一種馬拉的雙輪獨轅車，車箱上立一個伸臂的木人。車箱內(nèi)裝有能自動離合的齒輪系。當車子轉彎偏離木人。車箱內(nèi)裝有能自動離合的齒輪系。當車子轉彎偏離正南方向時車箱前端就順此方向移動，而后端則向反方向正南方向時車箱前端就順此方向移動，而后端則向反方向移

9、動，并將傳動齒輪放落，使車輪的傳動帶動木人下的大移動，并將傳動齒輪放落，使車輪的傳動帶動木人下的大齒輪向相反方向轉動，恰好抵消車子轉彎產(chǎn)生的影響。齒輪向相反方向轉動，恰好抵消車子轉彎產(chǎn)生的影響。車向正南方向行駛時，車輪和木人下的大齒輪是分離的，車向正南方向行駛時，車輪和木人下的大齒輪是分離的，木人指向不變。木人指向不變。無論車轉向何方，都能使人的手臂始終指向南方。無論車轉向何方，都能使人的手臂始終指向南方。指南車是一個保持方向恒定的自動裝置。指南車是一個保持方向恒定的自動裝置。(2)銅壺滴漏 中國，埃及和巴比倫中國，埃及和巴比倫出 現(xiàn) 自 動 計 時 漏 斗出 現(xiàn) 自 動 計 時 漏 斗（14

10、00B.C.-1100B.C.）漏壺，中國古代的自動計時（測量時間）裝置，又稱刻漏壺，中國古代的自動計時（測量時間）裝置，又稱刻漏或漏刻。漏或漏刻。漏壺的最早記載見于漏壺的最早記載見于周禮周禮。這種計時裝置最初只有。這種計時裝置最初只有兩個壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以兩個壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度（即時間）。示刻度（即時間）。保持上壺的水位恒定是滴漏計時準確的關鍵。這個問題保持上壺的水位恒定是滴漏計時準確的關鍵。這個問題后來是互相銜接的多級（后來是互相銜接的多級（3 35 5級）水壺來解決的。級）水壺來解決的。蓮華漏由蓮華漏由4 4個壺組成。天池壺、

11、個壺組成。天池壺、平水壺逐級向平水小壺平水壺逐級向平水小壺供水。供水。平水小壺上有溢水口，可使多余的水泄入減水桶以保持平水小壺上有溢水口，可使多余的水泄入減水桶以保持水面恒定。水面恒定。在蓮華漏中還采用一個浮子式閥門作為自動切斷閥。當在蓮華漏中還采用一個浮子式閥門作為自動切斷閥。當受水壺水位升至滿刻度時，浮子式閥門就會自動阻塞上級受水壺水位升至滿刻度時，浮子式閥門就會自動阻塞上級平水壺的出水小孔，切斷水滴。平水壺的出水小孔，切斷水滴。中國南方和西南方部落村民的一種習中國南方和西南方部落村民的一種習俗，就是常用長俗，就是常用長0.60.6米以上的飲酒管飲米以上的飲酒管飲酒。在這種竹制飲酒管中有一

12、條銀制小酒。在這種竹制飲酒管中有一條銀制小魚，作為可動的魚，作為可動的“關捩關捩”（即浮子式閥（即浮子式閥門）。門）。飲酒時吸得太快或太慢，小孔就會被飲酒時吸得太快或太慢，小孔就會被小魚自動堵塞。小魚自動堵塞。這種浮子式閥門可用來保持均勻的飲這種浮子式閥門可用來保持均勻的飲酒速度。酒速度。(3)(3)飲酒速度的自動調節(jié)飲酒速度的自動調節(jié)(4)(4)計里鼓車計里鼓車中國古代有能自報行車里程的車制，是東漢以后出現(xiàn)的，中國古代有能自報行車里程的車制，是東漢以后出現(xiàn)的，由漢代鼓車改裝而成，車中裝設具有減速作用的傳動齒輪由漢代鼓車改裝而成，車中裝設具有減速作用的傳動齒輪和凸輪、杠桿等機構。車行一里，車上

13、木人受凸輪牽動，和凸輪、杠桿等機構。車行一里，車上木人受凸輪牽動，由繩索拉起木人右臂擊鼓一次，以表示行車的里程。由繩索拉起木人右臂擊鼓一次，以表示行車的里程。(5)(5)漏水轉渾天儀漏水轉渾天儀公元公元2 2世紀，中國東漢的天文學家張衡創(chuàng)制的一種天文世紀，中國東漢的天文學家張衡創(chuàng)制的一種天文表演儀器。表演儀器。它是一種用漏水推動的水運渾象，和現(xiàn)在的天球儀相似，它是一種用漏水推動的水運渾象，和現(xiàn)在的天球儀相似，可以用來實現(xiàn)天體運行的自動仿真?？梢杂脕韺崿F(xiàn)天體運行的自動仿真。渾象是在一個直徑為渾象是在一個直徑為1.5m1.5m的銅球上刻有的銅球上刻有2828宿、中外星官、宿、中外星官、黃赤道、南北

14、極、黃赤道、南北極、2424節(jié)氣、恒星圈、恒隱圈等。節(jié)氣、恒星圈、恒隱圈等。這里的關鍵是漏水要推動一個恒速旋轉的齒輪使揮象與這里的關鍵是漏水要推動一個恒速旋轉的齒輪使揮象與天球同步轉動，用來表現(xiàn)星空的周日視運動，如恒星的出天球同步轉動，用來表現(xiàn)星空的周日視運動，如恒星的出沒和中天。沒和中天。(5)(5)候風地動儀候風地動儀中國張衡研制出自動測量地震的侯風地動儀（中國張衡研制出自動測量地震的侯風地動儀（132132年）年）公元公元132132年東漢張衡發(fā)明的一種觀察地震的自動檢測儀年東漢張衡發(fā)明的一種觀察地震的自動檢測儀器。它的工作原理涉及到檢測地震信號的大小和方向。器。它的工作原理涉及到檢測地

15、震信號的大小和方向。(7)(7)水運儀象臺水運儀象臺公元公元10881088年，蘇頌、韓公廉等人制成的水力天文裝置，年，蘇頌、韓公廉等人制成的水力天文裝置，高約高約12m12m、寬約、寬約7m7m。它既能演示或能觀測天象，又能計時及報時。它既能演示或能觀測天象，又能計時及報時。水運儀象臺利用銅壺滴漏的恒定水流作動力來推動樞輪水運儀象臺利用銅壺滴漏的恒定水流作動力來推動樞輪恒速旋轉。恒速旋轉。樞輪又帶動渾象和渾儀兩個齒輪系。其中渾象是一種觀樞輪又帶動渾象和渾儀兩個齒輪系。其中渾象是一種觀測儀器，其主要用途是測定昏、旦和夜半中星以及天體的測儀器，其主要用途是測定昏、旦和夜半中星以及天體的赤道坐標等

16、。赤道坐標等。儀象臺裝有自動機構，在每個時辰初、正和每刻相應地儀象臺裝有自動機構，在每個時辰初、正和每刻相應地有木人搖鈴、打鐘和擊鼓。有木人搖鈴、打鐘和擊鼓。中國古代人民在原始的自動裝置的創(chuàng)造和發(fā)明上作出中國古代人民在原始的自動裝置的創(chuàng)造和發(fā)明上作出過輝煌的成就。過輝煌的成就。三、自動化科技發(fā)展簡史三、自動化科技發(fā)展簡史古代人類在長期的生產(chǎn)和生活中，為了減輕自己的勞動，古代人類在長期的生產(chǎn)和生活中，為了減輕自己的勞動，逐漸利用自然界的動力逐漸利用自然界的動力( (風力、水力等風力、水力等) )代替人力、畜力，代替人力、畜力，以及用自動裝置代替人的部分繁難的腦力活動和對自然界以及用自動裝置代替人

17、的部分繁難的腦力活動和對自然界動力的控制。動力的控制。1 1、自動裝置的出現(xiàn)和應用（、自動裝置的出現(xiàn)和應用（1818世紀以前）世紀以前）（1 1）古代自動裝置）古代自動裝置 公元前公元前1414至公元前至公元前1111世紀，中國和巴比倫出現(xiàn)了自動計世紀，中國和巴比倫出現(xiàn)了自動計時裝置時裝置刻漏，為人類研制和使用自動裝置之始?？搪?，為人類研制和使用自動裝置之始。公元公元11351135年中國的燕肅在年中國的燕肅在“蓮華漏蓮華漏”中采用三級漏壺并中采用三級漏壺并浮子式閥門自動裝置調節(jié)液位。浮子式閥門自動裝置調節(jié)液位。在中國的三國時期，使用了自動指示方向的指南車。在中國的三國時期，使用了自動指示方向

18、的指南車。公元公元1 1世紀古埃及和希臘的發(fā)明家也創(chuàng)造了教堂廟門自世紀古埃及和希臘的發(fā)明家也創(chuàng)造了教堂廟門自動開啟、銅祭司自動灑圣水、投幣式圣水箱等自動裝置。動開啟、銅祭司自動灑圣水、投幣式圣水箱等自動裝置。中國天文學家張衡曾經(jīng)發(fā)明了對天體運行情況自動仿真中國天文學家張衡曾經(jīng)發(fā)明了對天體運行情況自動仿真的漏水轉渾天儀和自動檢測地震的候風地動儀。的漏水轉渾天儀和自動檢測地震的候風地動儀。公元公元10881088年，中國蘇頌等人把渾儀（天文觀測儀器）、年，中國蘇頌等人把渾儀（天文觀測儀器）、渾象（天文表現(xiàn)儀器）和自動計時裝置結合在一起建成了渾象（天文表現(xiàn)儀器）和自動計時裝置結合在一起建成了水運儀象

19、臺。水運儀象臺。1717世紀以來，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在歐洲的一些國家相繼世紀以來，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在歐洲的一些國家相繼出現(xiàn)了多種自動裝置，其中比較典型的有：出現(xiàn)了多種自動裝置，其中比較典型的有：法國物理學家法國物理學家B B帕斯卡在公元帕斯卡在公元16421642年發(fā)明的加法器；年發(fā)明的加法器；荷蘭機械師荷蘭機械師C.C.惠更斯于公元惠更斯于公元16571657年發(fā)明鐘表；年發(fā)明鐘表；英國機械師英國機械師E E李在公元李在公元17451745年發(fā)明帶有風向控制的風年發(fā)明帶有風向控制的風磨；磨；俄國機械師俄國機械師H H波爾祖諾夫于公元波爾祖諾夫于公元17651765年發(fā)明了蒸汽鍋年發(fā)明了蒸汽鍋爐

20、水位保持恒定用的浮子式閥門水位調節(jié)器。爐水位保持恒定用的浮子式閥門水位調節(jié)器。(2)(2)近代自動裝置近代自動裝置中國明代宋應星所著中國明代宋應星所著天工開物天工開物記載記載有程序控制思想（有程序控制思想（CNCCNC）的提花織機結構）的提花織機結構圖（圖（16371637年）年） 公元公元17881788年英國機械師年英國機械師J J瓦特發(fā)明離心式調速器，并瓦特發(fā)明離心式調速器，并把它與蒸汽機的閥門連接起來，構成蒸汽機轉速的閉環(huán)自把它與蒸汽機的閥門連接起來，構成蒸汽機轉速的閉環(huán)自動調速系統(tǒng)。這項發(fā)明對第一次工業(yè)革命和控制理論后來動調速系統(tǒng)。這項發(fā)明對第一次工業(yè)革命和控制理論后來的發(fā)展有重要影

21、響。的發(fā)展有重要影響。2 2、自動化技術形成時期（、自動化技術形成時期（1818世紀末至世紀末至2020世紀世紀3030年代）年代）(1)(1)自動調節(jié)的廣泛應用自動調節(jié)的廣泛應用 由于第一次工業(yè)革命的需要，人們開始采用自動調節(jié)器由于第一次工業(yè)革命的需要，人們開始采用自動調節(jié)器或裝置，使一些物理量保持在給定值附近?；蜓b置，使一些物理量保持在給定值附近。公元公元18681868年法國工程師年法國工程師J.J.法爾科發(fā)明反饋調節(jié)器，并把法爾科發(fā)明反饋調節(jié)器，并把它與蒸汽閥連接起來，操作蒸汽船的舵，他稱之為伺服機它與蒸汽閥連接起來，操作蒸汽船的舵，他稱之為伺服機構。構。到了到了2020世紀世紀202

22、03030年代，美國開始采用年代，美國開始采用PIDPID調節(jié)器調節(jié)器( (比例比例積分積分微分調節(jié)器微分調節(jié)器) )。這是一種模擬式調節(jié)器。這是一種模擬式調節(jié)器, ,現(xiàn)現(xiàn)在還在許多工廠中采用。在還在許多工廠中采用。英國英國J.WattJ.Watt用離心式調速器用離心式調速器控制蒸汽機的速度（控制蒸汽機的速度（17881788年）年） 英國英國J.M.GrayJ.M.Gray設計出第一艘全自動蒸汽輪船設計出第一艘全自動蒸汽輪船東方號（東方號（Great EasternGreat Eastern）（）（18661866年）年） 由徐壽設計的中國第一艘蒸汽輪船由徐壽設計的中國第一艘蒸汽輪船“黃黃鶴

23、號鶴號”在安慶軍械所下水（在安慶軍械所下水（18661866年）次年）次年，中國第一艘木質明輪蒸汽艦船年，中國第一艘木質明輪蒸汽艦船“怡怡吉號吉號”在江南造船廠下水。在江南造船廠下水。 (2)(2)自動調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題自動調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題 自動調節(jié)器和被控制對象自動調節(jié)器和被控制對象( (蒸汽機或船舵蒸汽機或船舵) )組成自動調節(jié)組成自動調節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)。當時人們發(fā)現(xiàn)蒸汽機轉速會忽高忽低，即系統(tǒng)會發(fā)生振當時人們發(fā)現(xiàn)蒸汽機轉速會忽高忽低，即系統(tǒng)會發(fā)生振蕩蕩( (不穩(wěn)定不穩(wěn)定) )。這迫使一些數(shù)學家從理論上來加以研究。公元這迫使一些數(shù)學家從理論上來加以研究。公元18681868年英年英國物理

24、學家國物理學家J.J.麥克斯韋爾用微分方程描述并總結了調節(jié)器麥克斯韋爾用微分方程描述并總結了調節(jié)器的理論。的理論。公元公元18761876年俄國機械學家年俄國機械學家U UA A維什涅格拉茨基進一步維什涅格拉茨基進一步總結了調節(jié)器理論，歸結為只要研究描述自動調節(jié)系統(tǒng)的總結了調節(jié)器理論，歸結為只要研究描述自動調節(jié)系統(tǒng)的線性齊次微分方程的通解。線性齊次微分方程的通解。公元公元18771877年英國數(shù)學家年英國數(shù)學家E.E.勞思、勞思、18951895年德國數(shù)學家年德國數(shù)學家A A胡爾維茨提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，沿用到現(xiàn)在。胡爾維茨提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，沿用到現(xiàn)在。公元公元18921892年俄國數(shù)學家年俄國數(shù)學家A A李雅普諾夫提出穩(wěn)定性的嚴李雅普諾夫提出穩(wěn)定性的嚴格數(shù)學定義并發(fā)表了專著。格數(shù)學定義并發(fā)表了專著。英國英國E.J.RouthE.J.Routh建立建立RouthRouth判據(jù)（判據(jù)（Routh-Routh-Hurwitz Stability CriteriaHurwitz Stability Criteria）（）（18751875年）年） 俄國俄國A.W.LyapunovA.W.Lyapunov博士論文論運動穩(wěn)定博士論文論運動穩(wěn)定性的一般問題（性的一般問題（18921892年）年） 進入