自动化科技概论(第1讲)

1、授课老师：岳 伟办公室：信息楼A区409邮 箱：自动化科技创新及实践自动化科技创新及实践教材：教材：大学生课外科技创新作品集大学生课外科技创新作品集 本课程是用一定的理论知识结合实际的学习过程。要求大家将课本的知识成功应用于实际，同时能做出一定的创新！36学时：学时：12学时试验和学时试验和24学时课堂学时课堂 最后两节课给大家时间，完成一片关于科技创新的小论文，作为本课程最后的评分标准!实验报告和小论文一起交给我！实验报告和小论文一起交给我！自动化科技的概念和发展简史自动化科技的概念和发展简史本章内容本章内容u3.1 自动化科技的概念自动化科技的概念u3.2 我国古代自动化装置我国古代自动化

2、装置u3.3 自动化技术发展简史自动化技术发展简史一、自动化科技的概念一、自动化科技的概念现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包括实现对这种控制的自动化。括实现对这种控制的自动化。例如公共电网上的电压是例如公共电网上的电压是50Hz50Hz、220v220v的交流电。在发的交流电。在发电厂就要设法控制电压、频率这两个物理量为恒值，这电厂就要设法控制电压、频率这两个物理量为恒值，这要采用自动调压和自动调频装置。要采用自动调压和自动调频装置。在化肥厂控制反应釜在化肥厂控制反应釜( (塔塔) )内温度和压力为恒值，使化内温度和压力为恒值，使化学反

3、应速度加快。学反应速度加快。空调器保持室内温度为恒值，其他如冰箱、洗衣机无不空调器保持室内温度为恒值，其他如冰箱、洗衣机无不将一些物理量控制为恒值，而全自动洗衣机更把洗衣、将一些物理量控制为恒值，而全自动洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。漂洗和脱水等操作自动按程序进行。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为恒值，使产品的质量、产量提高。的转速为恒值，使产品的质量、产量提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的，特而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的，特别用双雷达控制的防空导弹可以自动跟踪高空的飞行目

4、标别用双雷达控制的防空导弹可以自动跟踪高空的飞行目标进行命中爆炸。进行命中爆炸。用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同时他要决定求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同时他要决定（通过大脑）：他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽（通过大脑）：他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门和旋转多大的角度。阀门和旋转多大的角度。采用自动控制时上述功能都有各种的元件和仪表来代替。采用自动控制时上述功能都有各种的元件和仪表来代替。例如温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。例如温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。

5、自动化科学技术是一个涉及学科较多、应用广泛的综自动化科学技术是一个涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术，归属于控制科学与工程的范畴。合性科学技术，归属于控制科学与工程的范畴。自动化科学技术的内容有自动控制和信号处理两个方自动化科学技术的内容有自动控制和信号处理两个方面，包括理论、方法、应用硬件和软件等。面，包括理论、方法、应用硬件和软件等。从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、武器及军事自动化、办公室自动化和家庭自动自动化、武器及军事自动化、办公室自动化和家庭自动化等等。化等等。采用自动化技术不仅可以使人从繁重的体力劳动、部分采用

6、自动化技术不仅可以使人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。类认识世界和改造世界的能力。自动化是新的技术革命的一个重要方面。自动化技术的自动化是新的技术革命的一个重要方面。自动化技术的研究、应用和推广，对人类的生产、生活的方式将产生深研究、应用和推广，对人类的生产、生活的方式将产生深远影响。远影响。二、我国古代自动装置二、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，以满足生中国古代

7、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。指南车、铜壶滴漏、浮子式阀门、产、生活和作战的需要。指南车、铜壶滴漏、浮子式阀门、记里鼓车、漏水转浑天仪、候风地动仪、水运仪象台等就记里鼓车、漏水转浑天仪、候风地动仪、水运仪象台等就是其中比较著名的几种。是其中比较著名的几种。指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合齿轮系装置的车辆。齿轮系装置的车辆。据史书记载，东汉张衡据史书记载，东汉张衡( (公元公元7878139)139)、三国时代魏国、三国时代魏国的马钧、南齐的祖冲之都曾制造过指南车。的马钧、南齐的祖冲之都曾制造过指南车

8、。(1)(1)指南车指南车指南车是一种马拉的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的指南车是一种马拉的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时车箱前端就顺此方向移动，而后端则向反方向正南方向时车箱前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响。齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响。车向正南方向行驶时，车轮和木人下的大齿轮是分离的，车向正南方向行驶时，车轮和木人下

9、的大齿轮是分离的，木人指向不变。木人指向不变。无论车转向何方，都能使人的手臂始终指向南方。无论车转向何方，都能使人的手臂始终指向南方。指南车是一个保持方向恒定的自动装置。指南车是一个保持方向恒定的自动装置。中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车（中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车（235235年）年） 漏壶，中国古代的自动计时（测量时间）装置，又称刻漏壶，中国古代的自动计时（测量时间）装置，又称刻漏或漏刻。漏或漏刻。漏壶的最早记载见于漏壶的最早记载见于周礼周礼。这种计时装置最初只有。这种计时装置最初只有两个壶，由上壶滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以两个壶，由上壶滴水到下

10、面的受水壶，液面使浮箭升起以示刻度（即时间）。示刻度（即时间）。保持上壶的水位恒定是滴漏计时准确的关键。这个问题保持上壶的水位恒定是滴漏计时准确的关键。这个问题后来是互相衔接的多级（后来是互相衔接的多级（3 35 5级）水壶来解决的。级）水壶来解决的。莲华漏由莲华漏由4 4个壶组成。天池壶、个壶组成。天池壶、平水壶逐级向平水小壶平水壶逐级向平水小壶供水。供水。(2)铜壶滴漏平水小壶上有溢水口，可使多余的水泄入减水桶以保持平水小壶上有溢水口，可使多余的水泄入减水桶以保持水面恒定。水面恒定。在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断阀。当在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断阀。当受水壶水位升

11、至满刻度时，浮子式阀门就会自动阻塞上级受水壶水位升至满刻度时，浮子式阀门就会自动阻塞上级平水壶的出水小孔，切断水滴。平水壶的出水小孔，切断水滴。 中国，埃及和巴比伦中国，埃及和巴比伦出 现 自 动 计 时 漏 斗出 现 自 动 计 时 漏 斗（1400B.C.-1100B.C.）中国南方和西南方部落村民的一种习中国南方和西南方部落村民的一种习俗，就是常用长俗，就是常用长0.60.6米以上的饮酒管饮米以上的饮酒管饮酒。在这种竹制饮酒管中有一条银制小酒。在这种竹制饮酒管中有一条银制小鱼，作为可动的鱼，作为可动的“关捩关捩”（即浮子式阀（即浮子式阀门）。门）。饮酒时吸得太快或太慢，小孔就会被饮酒时吸

12、得太快或太慢，小孔就会被小鱼自动堵塞。小鱼自动堵塞。这种浮子式阀门可用来保持均匀的饮这种浮子式阀门可用来保持均匀的饮酒速度。酒速度。(3)(3)饮酒速度的自动调节饮酒速度的自动调节(4)(4)计里鼓车计里鼓车中国古代有能自报行车里程的车制，是东汉以后出现的，中国古代有能自报行车里程的车制，是东汉以后出现的，由汉代鼓车改装而成，车中装设具有减速作用的传动齿轮由汉代鼓车改装而成，车中装设具有减速作用的传动齿轮和凸轮、杠杆等机构。车行一里，车上木人受凸轮牵动，和凸轮、杠杆等机构。车行一里，车上木人受凸轮牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以表示行车的里程。由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以表示行车的里程。

13、(5)(5)候风地动仪候风地动仪中国张衡研制出自动测量地震的侯风地动仪（中国张衡研制出自动测量地震的侯风地动仪（132132年）年）公元公元132132年东汉张衡发明的一种观察地震的自动检测仪年东汉张衡发明的一种观察地震的自动检测仪器。它的工作原理涉及到检测地震信号的大小和方向。器。它的工作原理涉及到检测地震信号的大小和方向。公元公元10881088年，苏颂、韩公廉等人制成的水力天文装置，年，苏颂、韩公廉等人制成的水力天文装置，高约高约12m12m、宽约、宽约7m7m。它能计时及报时。它能计时及报时。水运仪象台利用铜壶滴漏的恒定水流作动力来推动枢轮水运仪象台利用铜壶滴漏的恒定水流作动力来推动枢

14、轮恒速旋转。恒速旋转。枢轮又带动浑象和浑仪两个齿轮系。其中浑象是一种观枢轮又带动浑象和浑仪两个齿轮系。其中浑象是一种观测仪器，其主要用途是测定昏、旦和夜半中星以及天体的测仪器，其主要用途是测定昏、旦和夜半中星以及天体的赤道坐标等。赤道坐标等。(7)(7)水运仪象台水运仪象台仪象台装有自动机构，在每个时辰初、正和每刻相应地仪象台装有自动机构，在每个时辰初、正和每刻相应地有木人摇铃、打钟和击鼓。有木人摇铃、打钟和击鼓。中国古代人民在原始的自动装置的创造和发明上作出中国古代人民在原始的自动装置的创造和发明上作出过辉煌的成就。过辉煌的成就。三、自动化科技发展简史三、自动化科技发展简史古代人类在长期的生

15、产和生活中，为了减轻自己的劳动，古代人类在长期的生产和生活中，为了减轻自己的劳动，逐渐利用自然界的动力逐渐利用自然界的动力( (风力、水力等风力、水力等) )代替人力、畜力，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和对自然界以及用自动装置代替人的部分繁难的脑力活动和对自然界动力的控制。动力的控制。1 1、自动装置的出现和应用（、自动装置的出现和应用（1818世纪以前）世纪以前）（1 1）古代自动装置）古代自动装置 公元前公元前1414至公元前至公元前1111世纪，中国和巴比伦出现了自动计世纪，中国和巴比伦出现了自动计时装置时装置刻漏，为人类研制和使用自动装置之始。刻漏，为人类研

16、制和使用自动装置之始。公元公元11351135年中国的燕肃在年中国的燕肃在“莲华漏莲华漏”中采用三级漏壶并中采用三级漏壶并浮子式阀门自动装置调节液位。浮子式阀门自动装置调节液位。在中国的三国时期，使用了自动指示方向的指南车。在中国的三国时期，使用了自动指示方向的指南车。公元公元1 1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了教堂庙门自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、投币式圣水箱等自动装置。动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。中国天文学家张衡曾经发明了对天体运行情况自动仿真中国天文学家张衡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

17、动仪。的漏水转浑天仪和自动检测地震的候风地动仪。公元公元10881088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表现仪器）和自动计时装置结合在一起建成了浑象（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。水运仪象台。1717世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些国家相继世纪以来，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：出现了多种自动装置，其中比较典型的有：法国物理学家法国物理学家B B帕斯卡在公元帕斯卡在公元16421642年发明的加法器；年发明的加法器；荷兰机械师荷兰机械师C.C.惠更斯于公元惠更斯

18、于公元16571657年发明钟表；年发明钟表；英国机械师英国机械师E E李在公元李在公元17451745年发明带有风向控制的风年发明带有风向控制的风磨；磨；俄国机械师俄国机械师H H波尔祖诺夫于公元波尔祖诺夫于公元17651765年发明了蒸汽锅年发明了蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。(2)(2)近代自动装置近代自动装置中国明代宋应星所著中国明代宋应星所著天工开物天工开物记载记载有程序控制思想（有程序控制思想（CNCCNC）的提花织机结构）的提花织机结构图（图（16371637年）年） 公元公元17881788年英国机械师年英国机械师J J瓦

19、特发明离心式调速器，并瓦特发明离心式调速器，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调速系统。这项发明对第一次工业革命和控制理论后来动调速系统。这项发明对第一次工业革命和控制理论后来的发展有重要影响。的发展有重要影响。2 2、自动化技术形成时期（、自动化技术形成时期（1818世纪末至世纪末至2020世纪世纪3030年代）年代）(1)(1)自动调节的广泛应用自动调节的广泛应用 由于第一次工业革命的需要，人们开始采用自动调节器由于第一次工业革命的需要，人们开始采用自动调节器或装置，使一些物理量保持在给定值附近。或装置，使一些物理量保持

20、在给定值附近。公元公元18681868年法国工程师年法国工程师J.J.法尔科发明反馈调节器，并把法尔科发明反馈调节器，并把它与蒸汽阀连接起来，操作蒸汽船的舵，他称之为伺服机它与蒸汽阀连接起来，操作蒸汽船的舵，他称之为伺服机构。构。到了到了2020世纪世纪20203030年代，美国开始采用年代，美国开始采用PIDPID调节器调节器( (比例比例积分积分微分调节器微分调节器) )。这是一种模拟式调节器。这是一种模拟式调节器, ,现现在还在许多工厂中采用。在还在许多工厂中采用。英国英国J.WattJ.Watt用离心式调速器用离心式调速器控制蒸汽机的速度（控制蒸汽机的速度（17881788年）年） 英

21、国英国J.M.GrayJ.M.Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船设计出第一艘全自动蒸汽轮船东方号（东方号（Great EasternGreat Eastern）（）（18661866年）年） 由徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船由徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄黄鹤号鹤号”在安庆军械所下水（在安庆军械所下水（18661866年）次年）次年，中国第一艘木质明轮蒸汽舰船年，中国第一艘木质明轮蒸汽舰船“怡怡吉号吉号”在江南造船厂下水。在江南造船厂下水。 (2)(2)自动调节系统的稳定性问题自动调节系统的稳定性问题 自动调节器和被控制对象自动调节器和被控制对象( (蒸汽机或船舵蒸汽机或船舵) )组成自动调节

22、组成自动调节系统。系统。当时人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振当时人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振荡荡( (不稳定不稳定) )。这迫使一些数学家从理论上来加以研究。公元这迫使一些数学家从理论上来加以研究。公元18681868年英年英国物理学家国物理学家J.J.麦克斯韦尔用微分方程描述并总结了调节器麦克斯韦尔用微分方程描述并总结了调节器的理论。的理论。公元公元18761876年俄国机械学家年俄国机械学家U UA A维什涅格拉茨基进一步维什涅格拉茨基进一步总结了调节器理论，归结为只要研究描述自动调节系统的总结了调节器理论，归结为只要研究描述自动调节系统的线性齐次微分方程的通解。线性齐次微分方程的通解。公元公元18771877年英国数学家年英国数学家E.E.劳思、劳思、18951895年德国数学家年德国数学家A A赫尔维茨提出代数稳定判据，沿用到现在。赫尔维茨提出代数稳定判据，沿用到现在。公元公元18921892年俄国数学家年俄国数学家A A李雅普诺夫李雅普诺夫提出稳定性的严提出稳定性的严格数学定义并发表了专著。格数学定义并发表了专著。进入进入2020世纪以后，工业生产中广泛应用各种自动调节装世纪以后，工业生产中广泛应用各种自动调节装置，促进了对调节系统的分析和综合的研