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自动化技术发展史可追溯到汉朝

时间:2021-08-19 来源网站:张家界化工机械网

自动化技术发展史:可追溯到汉朝?

自动化的渊源,可以一直追溯到两千多年以前。我国汉朝时期,就有了指南车。

公认的自动化技术的起源,还是18世纪前后(大约在1788年)。随着工业革命在英国的出现,对动力的需求大增;因此出现了蒸汽机。人们在使用蒸汽机的时候,就发现保持其转速的稳定是一个大问题,为此发明了飞球转速控制器(也叫离心调速器)。

可是,光有飞球控制器有时还是不能解决问题。人们很快发现,有的蒸汽机的飞球调速器投入运行后,蒸汽机的转速就产生周期性的大幅度波动,无法正常工作。用现在的话来说,就是系统不稳定。那个时候,人们还没有系统的概念,也没有反馈的概念,无法从理论上解释这种不稳定现象;人们就反复地在蒸汽机的制造工艺上盲目地摸索,努力减小摩擦,调整弹簧等等。这种情况持续了大约一个世纪之久,直到19世纪末,自动控制理论诞生以后,自动控制技术才得以在科学理论的指导下发展和提高。

蒸汽机转速的不稳定问题引起了许多科学家的注意。1868年,建立了电磁波理论的英国物理学家麦克斯韦尔(J·C·Maxwell),把蒸汽机的调速过程变成了一个线性微分方程的问题。他指出,如果对应的微分方程特征值在复平面的左半平面,系统就是稳定的;反之,如果对应的微分方程特征值在复平面的右半平面,系统就是不稳定的,蒸汽机的转速就会产生波动。

1877年,麦克斯韦尔的学生劳斯(E·Routh)找到了根据微分方程的系数判别系统稳定性的方法,这就是自动控制理论中有名的劳斯判据。

1876年,俄国的维斯聂格拉斯基(J·A·Vyschnegradsky)结合实际的蒸汽机研制,解决了如何选择参数才能使其转速稳定的问题。当时的研制者由于找不到问题所在,已经准备放弃了。

1895年,德国的霍尔维茨(A·Hurwitz)在解决瑞士达沃斯电厂一个蒸汽机的调速系统的设计时,就使用了稳定性理论。他同时也独立地提出了霍尔维茨判据,霍尔维茨当时是苏黎世工业大学的数学教授,也做过爱因斯坦的数学老师。

20世纪,通信技术、电子技术开始发展。同时战争、工业也成为了推动力,自动控制技术与自动控制理论开始快速发展。

1927年美国贝尔实验室的布莱克(H·Black)利用负反馈原理设计了电子管放大器,解决了电话长距离传输时信号畸变的问题。解决了信号畸变问题以后,又出现了放大器振荡引起声音尖叫的现象(即系统不稳定),由于微分方程的阶次往往很高(通常高达50阶),Routh判据变得不够实用。

而贝尔实验室具有通信背景的工程师们往往很熟悉频域方法。1932年出生在瑞典后来移民美国的奈奎斯特(H·Nyquist)发表论文,采用图形的方法来判断系统的稳定性。在其基础上伯德(H·W·Bode)等人建立了一套在频域范围设计反馈放大器的方法。这套方法,后来也用于自动控制系统的分析与设计。

与此同时,反馈控制原理开始应用于工业过程。1936年英国的考伦德(A·Callender)和斯蒂文森(A·Stevenson)等人给出了 PID控制器的方法。PID(P,Proportional,比例;I,Integrative,积分;D,Derivative,微分)控制是在自动控制技术中占有非常重要地位的控制方法。PID控制的含义是,将经过反馈后得到的误差信号分别进行比例、积分和微分运算后再叠加得到控制器输出信号。这种控制方式适合相当多的被控对象,目前仍然广泛地运用于多数自动控制系统。