《人类科学技术史-415》自动化技术

1.自动化技术的产生

自古以来，人们就希望制造自动机械。古代的能工巧匠为此发挥了高超才智和精妙技艺，做出了杰出贡献。早在3000多年前，中国就发明了一种自动计时装置"铜壶滴漏"。此后的"记里鼓车"、指南车以及天衡装置等都是古代著名的自动机械。17世纪，欧洲出现了钟表和风车控制装置。18世纪，瓦特(1736-1819)在蒸汽机上采用了离心调速装置。这些都为后来的自动机械发展积累了经验。到19世纪后期，第一批自动车床开始出现，单机自动化形成。

20世纪40年代，为解决火炮射击精度等问题，更多的工程师、学者致力于这方面的研究。在总结自动调节器、反馈放大器等控制技术的基础上，逐渐形成了调节原理、伺服系统理论，同时制造出具有高精度、快速响应的伺服机构的武器装备，为自动化技术的发展奠定了基础。第二次世界大战后，这些理论被推广到一般工业生产。1947年，美国的物理学家詹姆斯(1908-）、工程师尼克尔斯和数学家菲利浦合作出版了《伺服机原理》一书，总结了战争中的研究成果。美国应用数学家申农研究了通讯和雷达系统中信息传递的共同规律，于1948年发表了《通讯的数学理论》。1949年，维纳发表了《控制论》，经典控制理论基本成熟。1954年，中国学者钱学森出版了《工程控制论》，推动了控制理论在工程技术中的运用。同时，自动化也发展成为一门独立的科学技术。

经典控制理论是以反馈为核心，处理的对象是具有单一输入和单一输出的线性自动调节系统，其结果是实现局部自动化。这种反馈闭环系统可以克服受控对象特性变化和各种干扰因素所造成的误差，改善系统的品质，缩短控制的过渡过程时间，提高静态和动态精度等。这种方式多用于连续生产过程的自动化，如石油、化工、冶金等生产过程。

50年代，自动化技术的主要成就在如下两个方面：

（1）自动化仪表装置的系列化

50年代初出现了气动单元组合仪表。它将整套仪表按其功能和使用要求分成若干独立作用单元。这种仪表具有高度的通用性和灵活性，可以将显示操作部分集中在控制室统一管理，便于大规模生产，还可以与计算机等现代化设备配合，构成高度集中的控制系统。1956年，电动单元组合仪表问世。由于解决了"危险火花"问题。它可以充分发挥电信号在传输放大、变换、测量上的优势，使仪表的功能、精度、可靠性都有较大提高。此后发展起来的多功能组装仪表，可以实现各种特殊控制，还可以与计算机联接。

（2）数控技术在机床上的运用

航空航天飞行器对零部件的要求极高。它们多采用难以加工的合金，形状复杂，为提高强度减轻重量又常采取整体材料，铣空成蜂窝状结构，用传统机床加工很难达到要求。1948年，美国帕森斯公司为美国空军研究飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。因其加工难度大，于是开始设计研制数控机床。该公司与麻省理工学院伺服机构研究室协作，于1951年制成了三坐标数控铣床。此后，麻省理工学院又设计出更完善的数控机床。1955年，辛辛那堤公司研制出自动数控程序(APT)。它能够根据工件形状自动决定进刀路线的几何轨迹及加工顺序。这一设计思想成为以后其他数控自动程序设计的基础。1957年初，自动数控程序开始运用在旋风-1计算机上。到1960年，数控系统已在工业中实用。

1958年，美国卡尼-特雷公司研制成第一台自动换刀的数控机床。它与普通机床相比，加工费用降低一半，精度提高到小于20微米，生产率提高了10倍左右。数控机床的出现是机床自动控制的一个重大进展。

2.自动化技术的新发展

进入20世纪60年代，军事竞争和空间技术的发展，对自动化技术提出了多变量控制和最优控制等新课题。一些控制对象距离远，速度高，其特性随时间急剧变化，并且要求精度高，控制通道是多路的。为解决这类控制问题，控制理论和方法也要有新的发展。于是在60年代初，第二代控制理论即现代控制理论形成了。它的创始人是匈牙利出生的美国学者卡尔曼(1930-　）。

50年代末期，最优控制问题吸引了一批研究者。原苏联学者庞特略金于1956年提出了最大值原理。美国学者贝尔曼于1957年提出了动态规划。他们的理论成为最优控制理论的基础。卡尔曼解决了不确定系统的最优控制问题，提出了滤波理论。但由于当时的理论还不成熟，技术装备水平也未达到，所以最佳控制未能真正实现。1960年前后，"状态空间"的概念和方法发展起来。梅萨罗维茨等人提出了"结构不确定原理"。他认为，不能只用传递函数描述一个多变量系统，因为相同的传递函数可以有不同的内在机构，所以需要建立在状态空间上的描述。原苏联学者李雅普诺夫用状态空间来研究系统的稳定性，取得了较为满意的成果。卡尔曼在上述研究成果的基础上，进行了深入探讨，提出了可控性、可观测性两个基本概念。这是控制理论的核心概念。它们使人们对控制系统的认识进一步深化。卡尔曼在1960年美国自动控制第一届年会上发表了《控制系统的一般理论》，不久又发表了《线性估计和辨识问题》，奠定了现代控制理论的基础。这次年会首次提出了"现代控制理论"一词，因此人们公认现代控制理论诞生于1960年。

现代控制理论包括多变量控制理论、系统辨识理论、最优控制理论和自适应控制理论等内容。60年代是现代控制理论迅速发展的时期，到60年代中期已基本成熟。它是不同于经典控制理论的更普遍的理论，适用于线性与非线性、时不变与时变、单变量与多变量、连续和离散系统。它提供的现代控制技术，在空间技术领域大显神威，最辉煌的成就之一就是"阿波罗登月计划"的成功。

在生产过程自动化方面，60年代中期出现了多参数最佳控制，实现了多机和机组自动化。1964年，本迪克斯公司首先在铣床上实现最佳适应控制。这是以加工成本、生产率等综合经济指标为评价指标的多参数优化控制。

在数控技术方面，人们开始采用计算机数控系统(CNC)，这是数控技术的一大进步。CNC要想实现某种特定机床功能，只需改变系统程序，编制程序的工作可部分依靠系统软件，因此具有通用性、灵活性，便于批量生产。1968年，美国数字设备公司研制成了CNC系统。日本、法国、原联邦德国等也相继采用小型计算机数控。

与此同时，多机组自动化逐渐产生。1960年，美国的西方电气公司建立了用计算机控制的炭电阻生产线。它不仅自动完成操作，而且检测、装配、试验和在工作站之间的移动都有反馈环路联系，是无人生产线的最早尝试。

60年代后期，计算机直接控制系统(DNC)开始出现。它是用一台大型计算机控制一群机床。1976年，英国莫林斯公司研制成最早的直接数控系统"系统24"，用一台计算机控制加工中心群，但由于软件技术问题未获成功。1968年，美国辛辛那堤公司开发了一个可变任务系统，能够实现多级加工，物流可有规律地顺序节拍式输送。

在DNC基础上发展起来的柔性制造系统(FMS)，是由数台数控机床和自动化仓库组成的多工位自动化加工系统。它采用计算机控制的信息系统指挥协调，在不停机调整的情况下，通过自动化物流输送系统，连续地加工不同的工件。这种系统综合了许多工艺技术，虽然费用很高，但发展很快。到1985年，全世界已有350条柔性生产线。

从70年代开始，各类生产过程向大型化、高度连续化、操作强化发展，形成了复杂的大系统。为了解决这类大系统的自动控制问题，大系统理论逐步发展起来。1970年，梅萨罗维茨等人发表了《多级递阶系统理论》，为大系统理论的发展奠定了基础。大系统理论被称为第三代控制理论。它着重从控制与信息的观点，研究各种大系统的结构方案，总体设计中的"分解"方法和协调等问题。由于它涉及问题很多，难度很大，所以至今还不成熟。

70年代后，大规模集成电路的发展，微处理器和微型机的应用，引起自动化领域的一些重大变革。由于微处理器和微型机使系统硬件费用大幅度降低，可靠性大大增强，许多低成本领域的自动化成为可能，同时出现了新的"分散控制系统"，并使自动化仪表控制系统由计算机集中控制向总体、分散型控制系统发展。1975年，美国霍尼威尔公司最先设计出TDC-2000系统。到1980年，已有20多种集散系统。

进入80年代，一个新的综合自动化系统破土而出。它把柔性制造系统、计算机辅助设计、计算机辅助调动等系统有机结合起来。组成了"计算机集成制造系统"(CIMS）。它综合、集成各种技术，把自动化范围扩展到市场和销售，是制造过程自动化的一场革命，是世界自动化技术发展的前沿和方向，将成为下个世纪各国竞争的战略目标。美国、日本等国的一些公司，都投入大量资金进行这方面的研究开发。

3.工业机器人

"机器人"一词源自捷克语"ROBOTA"，最早出现于捷克作家卡雷尔.查培克(1890-1938)1920年写的剧本《万能机器人》。1959年，美国尤里梅逊公司生产出第一台数字控制的可编程的机器人。它具有记忆功能，能实现示教再现的点到点的控制，同年，美国的另外两家公司还生产了两种小型的机器人。这是机器人的第一代。60年代末70年代初，第一代机器人发展到了高潮。第一代工业机器人的功能很有限，不能移动，没有视觉、触觉和智能。因此，智能机器人成为发展目标。

智能机器人的研究开始于60年代初。美国麻省理工学院的厄恩斯特于1961年首次用计算机控制机器人，1963年，研制出可以进行积木游戏的机器人MH-1。麻省理工学院1968年还研制出在火星软着陆和探测用的"移动数据收集装置"。1970年，日本日立中心研制出智能机器人MK-1。它有两个摄像机作眼睛，一只看装配图，另一只看待装配的零件，并进行比较判断，决定装配程序，再用机械手完成装配工作。它是属于第二代适应型的机器人。

第二代机器人的主要特点是对外界环境变化有感觉能力，可根据传感器输入的信息作出判断，进行加工处理。

第三代机器人在80年代逐步发展起来。它是具有更高智能的自律机器人，可以根据机械内部信息和外部环境信息，通过独立判断，完成给定的工作目标。它能看、能听、能说、能判断环境状况，并且有记忆、推理和决策的能力。1986年，日本研制出能用4　条腿爬行的"海龟1号"，用于核反应堆内维修和海底探测。1988年，美国发明了6条腿、形如大蜘蛛的机器人。这是世界上第一台能自己走进核电站进行维修的机器人。第三代机器人90年代进入实用阶段。

到1991年，全世界共有各类机器人45万台，其中日本有27万台，占60％。中国第一代机器人在80年代开始推广应用，并发展了水下机器人。1991年，中国已研制出可以跨越障碍的机器人。到2000年中国的智能机器人将广泛应用。

机器人为人类做出了杰出的贡献，但偶尔也犯下"罪行"。1978年，日本广岛一家工厂的切割机器人，突然抓起一名工人送入刀下加工起来。这是世界上第一起机器人杀人事件。1989年，原苏联一名国际象棋大师与一名机器人对弈，机器人在金属盘上放出强大电流，象棋大师触电身亡。据统计，世界上已有十多起机器人"杀"人案件。日本自1978年以来已有11人死于机器人之手，7000人致伤。平均每年伤728人。机器人这种危害作用已引起人们的重视。

机器人的发展会对社会产生什么样的影响，目前人们看法很不一致。维纳在50年代就指出，自动化机器会导致大量工人失业。许多人持与维纳相同的观点。但也有人不同意。英国前首相撒切尔夫人1981年说："日本使用机器人数量是世界第一位的，但其失业率在西方世界却是倒数第一。英国应用机器人最少，但其失业率是西方国家中最高的"。50年代，美国有人认为，发展自动化会使美国到1970年失去700个就业机会。但到1970年时，美国反而增加了几百万个就业机会。因此，自动化的发展既带来社会难题，也带来机遇。解决这一矛盾，将是各国发展自动化技术面临的重要课题。