二、赛伯溯源

　　虽然直到1788年瓦特发明蒸汽机的速度调节器，自动化技术才开始进入到工业生产的使用领域。但是人们在几千年的劳动过程中，早已经利用自己聪明的头脑创造出了一些巧夺天工的装置，这些自动化装置体现了朦胧的自动化思想。

　　大家在观看电视连续剧《三国演义》时，不知注意到了剧中提到的木牛流马没有。这种木牛流马传说就是诸葛亮发明的一种自动装置。它可以不用牲畜做动力，而是使用类似弹簧的装置来提供动力，帮助诸葛亮的军队运送战略物资。这虽然只是个传说，但是却体现了人们对于自动化装置的向往。

　　如果说诸葛亮的木牛流马只是一个传说。而同样是三国时期的我国古代发明家马均发明的指南车则确有其事。这种指南车上有一个小木人，无论如何向前、向后、还是转弯，小木人的手一直指向南方。这种装置好像现代的自动定向仪。后来在魏晋时期又出现了记里鼓车。记里鼓车分上下两层，上层设一口钟，下层设一鼓。车上有一木人，峨冠锦袍，坐于车的下层。车走十里，小木人击鼓一次；每击鼓十次，小木人就上升到上一层，击钟一次，煞是有趣。这种装置是利用齿轮传动的原理来实现的，其实我们现在汽车上用的很多里程表所用原理也一样，与这种里程鼓车没有什么区别。

　　在国外，在古代也有很多制造巧妙的装置，2000年前的古希腊，有一个非常出色的技师叫希罗，他经常向阿基米德等科学家请教、学习，制造出了许多机器。有神殿自动门、神水自动出售机、里程表等。神殿自动门当有人拜神时，点燃祭坛上的油火，油火产生的热量就会使一个箱子里的空气膨胀，然后膨胀的空气就会推动大门，使大门打开。当拜神的人把油火熄灭后，空气受冷缩小，大门于是就会关闭。当时的人们由于没有什么科学知识，还以为是神仙显灵，为他们开门呢！其实这种装置也就是现在人们经常使用的发动机的原理。

　　到了17世纪中叶，工业生产突飞猛进，科学技术日新月异。这个时期的人们思想异常活跃，用机器工作的愿望比任何时候都更加强烈。哈格里夫斯是英国的一名普通工人，但是他却发明了纺纱机，他的妻子是一个纺纱工人，每天都在辛苦的工作，但是还是不能满足织布用。于是他想为自己的妻子作一个效率高的纺车，但是总也没有好的主意。有一天他不小心将妻子的纺车碰倒了，奇怪的是，原来水平放置的纺锤直立了起来，但是线却没有断，纺锤还在动，看到了这个情景，他有了灵感。他在原来的纺车上加了好几个纺锤，再用一个轮子带动它们，老纺车一下子成为了一个一次可以纺出很多纺线的新纺车。这种纺车的问世，打响了机械化生产的第一炮，也加快了自动化的发展。我国古代也有了这种纺织机，蜀锦机是我国古代织造技术最高成就的代表。织造时上下两人配合，一人拉花，一人踏杆，引纬织造。

　　人类自从开始劳动以来，就不断寻求着能够代替自己进行劳动的机器。正是这种愿望，使一代代劳动人民发挥他们的聪明才智创造出了许多的自动化装置，也正是这种愿望，才使我们今天的自动化技术在各个领域里发挥着巨大作用。

三、炮火中的发展

　　自动化技术从产生到现在，它的发展始终没有离开武器装备的需要。

　　在第二次世界大战中，同盟国军队的主要作战武器是火炮。当时的火炮威力大、射程远，但是命中精度比较差。比如当时的高射炮打飞机平均要3000发炮弹才能击中一架飞机。美国的科学家为了自己的祖国，为了战争的需要，成立了以维纳为代表的科学家集团，运用当时的计算机技术，根据汽车驾驶的道理，借鉴人的行为，设计了一系列的自动控制装置和系统。这些装置和系统大大提高了火炮射击的精度，改善了雷达跟踪目标的能力，还解决了鱼雷、飞机等导航的关键问题，大大提高了盟国军队的作战能力。自动化技术在抗击德军空中飞机轰炸、水下潜艇的攻击等方面发挥了巨大作用，为二战的最后胜利做出了巨大贡献。同时，自动化技术在实际应用中得到不断发展，逐步走向了理论化和系统化，维纳的名著《控制论》也就是在二战期间写成的。如果没有二战这个巨大的实验场，自动化技术也不会有如此大的发展。可以这样说“军事装备是自动化之父，二战是自动化诞生的产房”。

　　如果说军事设备是自动化之父，那么工业生产就是自动化之母。自动化生产是人们梦寐以求的事情。大家都听说过诸葛亮三天之内造十万只箭的故事吧，诸葛亮虽然没有造出十万只箭来，但是他从曹操那里借了十万只箭。显示了诸葛亮过人的计谋。但是在1789年的美国却真发生了这样一件事情，美国政府要求工厂主惠特尼在15个月中生产一万只滑膛枪。这比诸葛亮的十万只箭的任务还要难完成，但是惠特尼采用了一个新的方法完成了任务，他把每个造枪的工作化整为零，每个工作只生产其中的一种部件，然后把每种部件都放在一个袋子里，每个袋子都编上号。最后从不同的袋子里各取出一个零件就可以组装成一条枪。惠特尼就是靠这种方法完成了生产任务。他的这种方法也为后来的流水线生产打下了基础。

　　福特发明的汽车生产线是最成功的早期生产线，1913年福特创建了由专用机床组成的“运动中的组装线”在这种生产线上，要组装的部件由传送带运到一个个工人面前，每一个工人只完成一种操作。组装汽车就像流水一样运行得有条不紊，大大提高了生产效率。这种生产线使福特成为“汽车大王”，也使汽车走入了普通百姓的家中。从流水线问世至今，生产自动化的发展跨越了几个阶段，现在已经发展到完善的阶段即无人工厂，也就是CIMS技术。

　　自动化技术为生产力的发展起了巨大作用，实现了人们摆脱繁重的劳动的愿望。同时自动化技术也在应用中得到不断发展和完善。

四、赛伯（自动化）原理仔细看

　　人们为了达到节省体力，提高生产效率的目的, 发明了许多自动化机器和设备，这些设备和机器可以在人不直接参与的情况下, 按照人们预先设计的要求，根据给定的指标完成原来需要人自己做的很多工作，使人从生产过程中解放出来。这些设备和机器种类繁多，形式千差万别，所完成的功能各不相同。有工业中的生产过程自动化，也有军事上的导弹制导和飞机导航。是什么原因使他们具有了如此巨大的魔力呢？我们可以看下面一个简单的例子，它会告诉我们其中的奥妙。

　　我们现在作一个游戏，让张三和李四分别去拿放在一张桌子上的杯子，张三把自己的双眼蒙上，而李四却不用蒙上双眼。看看他们谁能顺利地拿到杯子。结果是很明显的,张三很有可能要试很多次才能拿到杯子，但是李四会很顺利地拿到杯子。这是为什么呢？有人会说，这太简单了，因为张三看不见。但是为什么看不见就拿不到呢？可能就回答不出了。我们来分析一下拿杯子这个动作完成的过程，就会清楚其中的秘密。人在打算拿桌子上的杯子时，首先要看一下，杯子的位置与自己手的距离有多少，然后人的大脑会命令自己的手做出动作，向减少这个距离的方向移动，同时不断的观察两者之间的距离还有多少，直到人的手碰到了杯子，大脑就命令手停止运动，杯子也就拿到了。这个过程可以用下边的图来表示。 （见图1）

　　人就是通过这个过程来完成拿杯子这个动作的。游戏中的张三被蒙住了双眼，自然他就无法知道自己的手和杯子之间的距离还有多少，自然也就不容易拿到杯子。正是由于没有了眼睛，所以图中的反馈就无法形成，人这个“机器”也就工作不正常了。

　　自动化设备和机器的关键就在于反馈的存在，正是有了他的存在，才使自动化成为可能。反馈就是我们上面所提问题的答案, 是自动化的奥妙所在。其实反馈存在于很多地方，无论是机器还是我们人体里，反馈都起着重要的作用。

　　一个自动化系统无论结构多么复杂都是由下面几部分组成：
　　第一，检测比较装置。所起作用相当于人眼在上面例子中的作用，主要是获得反馈，并且计算我们要达到的目的与现在的实际情况之间的差值。
　　第二，控制器。所起作用相当于大脑在上面例子中的作用，主要是用来决定应该怎样做。
　　第三，执行机构。主要所起作用相当于人手在上面例子中的作用，完成控制器下达的决定。
　　第四，控制量。也就是所要达到的目的，相当于手和杯子之间的距离。控制量是我们自动化机器所要达到的最终目的。

　　通过上面的例子，大家应该明白了自动化工作的基本原理了。其实每个人都可以按照上面的例子，来分析自己身边的一些自动化设备和机器的工作原理。

图1

五、正反馈和负反馈

　　自动化技术的核心思想就是反馈，通过反馈建立起输入（原因）和输出（结果）的联系。使控制器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制策略，以便达到预定的系统功能。根据反馈在系统中的作用与特点不同可以分正反馈（positive feedback）和负反馈（passive feedback）两种。下面通过例子来说明两种反馈在系统中的作用。

　　负反馈的特点可以从“负”字上得到很好的理解，它主要是通过输入、输出之间的差值作用于控制系统的其他部分。这个差值就反映了我们要求的输出和实际的输出之间的差别。控制器的控制策略是不停减小这个差值，以使差值变小。负反馈形成的系统，控制精度高，系统运行稳定。我们通过介绍自动化原理时用到的例子来说明负反馈的工作过程。当人打算要拿桌子上的水杯时，人首先要看到自己的手与杯子之间的距离，然后确定自己手的移动方向，手始向水杯移动。同时人的眼睛不停观察手与杯子的距离（该距离就是输入与输出的差值），而人脑（控制器）的作用就是不停控制手移动，以消除这个差值。直到手拿到杯子为止，整个过程也就结束了。从上面的例子可以看出，由负反馈形成的偏差是人准确完成拿杯子动作的关键。如果这个差值不能得到的话，整个动作也就没有办法完成了。这就是眼睛失明的人不能拿到杯子的缘故。负反馈一般是由测量元件测得输出值后，送入比较元件与输入值进行比较而得到的。

　　正反馈在自动控制系统中主要是用来对小的变化进行放大，从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反馈可以与负反馈配合使用，以使系统的性能更优。大家熟悉的核反应就是一个正反馈的例子。铀－235、钚－239这类重原子核在中子轰击下，通常会产生两个中等质子数的核，并放出２－３个中子和２００兆电子伏能量（相当于３.２×1011焦耳）。放出的中子有的损耗在非裂变的核反应中或漏失到裂变系统之外，有的则继续引起重核裂变。如果每一个核裂变后能引起下一次核裂变的中子数平均多于１个，裂变系统就会形成自持的链式裂变反应，中子总数将随时间按指数规律增长。这样反应堆中越来越多的核子发生裂变，放出更多的能量，从而达到发电的目的或者用来做其他用途。在反应堆工作之前，要通过几个触发中子来使系统工作起来。一旦反应开始后。系统自己会产生大量的中子来维持反应的进行。利用这种正反馈机制可以形成大规模的核反应。但是正反馈总是起放大最用，这样就会使系统中的作用越来越剧烈，最后会使系统损坏。所以一般正反馈都与负反馈配合使用，有的时候会在正反馈后面加上非线性环节（如限幅环节）。在核反应堆中，就是通过控制反应堆中铅棒（铅棒可以吸收中子）与反应物接触的面积来控制核反应的剧烈程度，否则我们就没有办法控制核电站发电多少了。

六、控制器——系统的大脑

　　自动控制系统中控制器在整个系统中起着重要的作用，扮演着系统管理和组织核心的角色。系统性能的优劣很大程度上取决于控制器的好坏。我们可以通过比较人工控制系统和自动控制系统的工作原理来认清控制器的作用。

　　首先我们介绍人工控制系统，图1是恒温箱的人工控制系统的结构图。要求恒温箱中的温度保持恒定。为了测量恒温箱中的温度，安装一个温度计来指示恒温箱中的温度，这个温度就是系统的输出量，或称被控制量。操作者始终观察温度计的温度，当小于恒温箱给定时，就增大加热装置的电流；相反当大于恒温箱给定时，就减小电流。这样恒温箱就能保持给定的温度。人在这个系统中有以下的作用：

　　1．观察恒温箱中温度。
　　2．比较恒温箱中温度与给定温度的差值。
　　3．调节加热电流的大小。


图１人工控制系统结构图


　　了解了人工控制系统的原理，我们只要用一些设备模仿和代替人的智能，就可以把它变成自动控制系统。首先用热电偶来代替温度计来测量温度的值，然后用比较放大电路代替人对温度的比较，用电机代替人手来转动恒温箱的电流调节装置。只要放大电路的极性和电机的转动方向合理选择，就可以完成自动控制恒温箱温度的工作。自动控制系统的结构图如图2所示。


图２自动控制系统结构图


　　从图1和图2可以看出，人工控制系统和自动控制系统非常相似，热电偶就相当于人的眼睛；比较电路完成人大脑的功能，电机代替人的肌体；人工控制系统和自动控制系统虽然采用不同的装置，但是它们的原理很是相似。在自动控制系统，我们经常把比较放大电路以及其他附加装置（主要起校正作用）称为控制器，而把执行机构（电机）和控制对象（恒温箱）称为受控对象。这样可以得到控制系统的一般结构图：


图３控制系统一般结构图


　　从图3中可以看出控制器实际上就是代替了人工控制系统中人的大脑的作用，它根据输入信号和反馈信号来确定控制信号。在控制系统的设计时，往往受控对象是不能够被改变的，要想系统满足性能要求，关键是要看控制器设计的如何。一个好的控制器可以使系统很好地工作，反之系统是不能满足要求的。这和一个头脑比较笨的人往往不如聪明人做工作好是一样的道理。控制器有各种形式，按照信号的性质分，可以分成模拟控制器和数字控制器两种。前者信号主要是模拟形式的；后者主要采用数字形式进行计算，输入和输出端有D/A和A/D转换器。控制器的结构有的复杂而有的比较简单，上面恒温箱控制中的比较放大电路就是比较简单的控制器。复杂系统的控制器往往很复杂，有的控制器甚至就是一台计算机。

六图1

六图2

六图3

七、传感器——系统的耳目

　　自动控制系统能够按照人的设计，在人不参与的情况下完成一定的任务。其关键就在于反馈的引入，反馈实际上是把系统的输出或者状态，加到系统的输入端与系统的输入共同作用于系统。系统的输出状态实际上是各种物理量，他们有的是电压，有的是流量、速度等。这些量往往与系统的输入量性质不同，并且取值的范围也不一样。所以不能与输入直接合并使用，需要测量并转化。传感器正是起这个作用，它就像是控制系统的眼睛和皮肤，感知控制系统中的各种变化，配合系统的其他部分共同完成控制任务。

　　人类为了从外界获得信息，必须借助于感觉器官。但是人的感觉器官并不是万能的，要想获得更为丰富的信息，进一步研究自然现象和制造劳动工具，人的感官显得很是不够了。作为一种代替人的感官的工具，传感器的历史比近代科学的出现还要古老。天平作为测重的工具在古埃及就开始使用了，一直沿用到现在。利用液体膨胀特性的温度测量在十六世纪就已经出现。以电学的基本原理为基础的传感器是在近代电磁学发展的基础上产生的，但是随着真空管和半导体等有源元件的可靠性的提高，这种类型的传感器得到了飞速发展，现在谈到传感器大都指有电信号输出的装置。

　　传感器可以被用来测量各种物理量。根据测量的物理量不同，传感器可以分成温度传感器、流量传感器、压力传感器等很多种类。但是所有传感器工作原理都是基于各种物理定律，如果出现了新的现象或在特定物质中，在某方面出现了奇异的效应，就可以利用这些现象和效应来研制传感器。经常被用来制作传感器的物理现象和效应有霍尔效应、多普勒效应、压阻效应、应变效应等。但是并不是所有研制出来的传感器都能够使用，因为传感器要满足可靠性的要求，为了从传感器的输出信号中得到被测量的原始信息，如果传感器不稳定，那么对同样的输入信号，其输出信号就不一样，则传感器会给出错误的输出信号，使传感器的作用失灵。就像人的鼻子当对环境适应了后，对于气味的感觉就会失去灵敏度一样。

　　传感器就像自动控制系统的眼睛、鼻子、耳朵一样，对于一个控制系统的性能起着重要作用。可靠、灵敏的传感器是自动控制系统工作的前提。就像双目失明的盲人是不可能很准确地拿到所要拿的东西一样，如果控制系统的传感器部分不能正常工作时，自动控制系统也就没有办法代替人来完成工作了。

八、有力的臂膀——执行器

　　如果把传感器比喻成人的感觉器官的话，那么执行器在自动控制系统中的作用就是相当于人的四肢，它接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常执行。在生产现场，执行器直接控制工艺介质，若选型或使用不当，往往会给生产过程的自动控制带来困难。因此执行器的选择、使用和安装调试是个重要的问题。

　　执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是指根据调节器控制信号产生推力或位移的装置，而调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，最常见的有调节阀。

　　执行器按其能源形式分为气动，电动和液动三大类，它们各有特点，适用于不同的场合。

　　液动执行器推力最大，现在一般都是机电一体化的，但比较笨重，所以现在很少使用，比如三峡的船阀用的就是液动执行器。

图１角行程电动执行器
图２直行程电动执行器
图３气动执行器

　　电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构分角行程(如图一)和直行程（图二）两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性的转换为位移量。电动执行机构安全防爆性能差，电机动作不够迅速，且在行程受阻或阀杆被扎住时电机容易受损。尽管近年来电动执行器在不断改进并有扩大应用的趋势，但从总体上看不及气动执行机构应用得普遍。

　　气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体（如图三），其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，只能直接带动阀杆。由于气动执行机构有结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，并且安全防爆等优点，在化工，炼油等对安全要求较高的生产过程中有广泛的应用。

图４ 旋转式阀门式执行器
图５ 直线式阀门式执行器

图中所示的执行器是广泛应用在化工和供水中的两种执行器。它们主要通过接收控制器传送来的标准电压或电流信号，来控制内部电机驱动阀门的开度来决定所要传送液体或气体的流量。二者的主要不同就是阀门活动的方式不同，旋转式的阀门采用旋转的方式来决定阀门开度的大小，而直线式采用直线运动来完成该任务。

　　随着自动化，电子和计算机技术的发展，现在越来越多的执行机构已经向智能化发展，很多执行机构已经带有通讯和智能控制的功能，比如很多厂家的产品都带现场总线接口。我们相信，今后执行器和其他自动化仪表一样会越来越智能化，这是大势所趋。

八图1

八图2