自动化技术的过去、现在和将来（之二）
二、局部自动化
（一）单一过程的局部自动化(单机自动化)
早在19世纪前半叶，在机械加工上，车、磨、钻、铣、刨、锻等加工方法均已出现，生产机械化初步形成。到19世纪后期，开始出现了第一批自动车床，单机自动化也就开始萌芽。到了20世纪50年代初，由于批量生产的需要，以及经典控制理论的指导，单一生产过程自动化、自动生产线等局部自动化也就应运而生，把人从单调的、繁重的和受机器运转制约的手工操作以生产零部件的状态中解放出来。50年代数控技术的发展，可以美国麻省理工学院研制出来的第一台数控装置的“加工中心”为代表，它是小批量和中批量生产自动化的关键，对当时的飞机制造工业起到了很大的推动作用。
在工业生产过程中亦已广泛应用PID(比例、积分、微分)调节器，对被调量与给定值的偏差，分别或同时按照比例、积分、微分作用的调节规律来控制工业对象。当时，大部分PID调节器是电动或机电式，也有一些是气动或液压式，因而在结构上显得相当复杂，如通常的控制装置一般分装为两个机柜，一个机柜装各种PID调节器，另一个机柜则装有许多继电器和接触器，实现控制中的起动、停止、联锁和保护等功能，这种调节装置的控制速度和控制精度一般都不太高，可靠性也不很理想，但确起到了其历史作用，直到90年代初在一些老的工厂老的设备中，仍然还可看到这种模拟式的调节器在起作用。到1958年才引入第一代电子控制系统，并用模拟电子计算机来研究和实现这种调节器的功能。在工业控制中也开始应用由继电器构成的逻辑控制器，出现了程序控制。同时，用计算机进行机器零件的计算、数控程序的设计亦得到发展，即现今通常所说的计算机辅助设计CAD开始萌芽。这一时期由于数字控制和数据处理技术的发展，使机械制造业的结构发生了很大的变化。
（二）自动调节系统与经典控制理论
从40年代末到50年代，自动化的理论基础是“经典控制理论”，集中反映在自动调节原理方面。经典控制理论的命名，是相对于“现代控制理论”而言的。它是以反馈为核心，把具有单一输入和单一输出的线性自动调节系统作为主要研究对象，研究的主要内容是自动调节系统的稳定性；所采用的数学模型则以传递函数描述，分析、综合调节系统的主要方法是频域法(即频率响应法)；所能达到的目的，基本是实现局部自动化。这一理论的形成、发展与广泛应用的时间，大体在1948年到1957年。
对于控制对象是单输入一单输出的线性自动调节系统来说，按其控制作用的特点，大体有以下三种类型：其一是自动镇定系统，其控制作用的目的是使控制对象保持恒定值，亦称之为定值控制系统。其二为顺序调节系统，或程序控制系统，控制作用的目的是使控制对象按给定的时间函数工作，如飞机的着陆期间满足给定的高度变化规律，机床按一条已知轮廓的程序加工零件等。其三是伺服系统，或叫随动系统，其控制作用的变化事先不能准确地确定，而取决于系统之外进行着的过程，如天文望远镜的导星系统等。
那么，设计一个被控对象的线性自动调节系统，就需要促进基础理论和实现手段与方法的发展，了解理论和应用之间存在着什么样的依存关系，弄清这些问题，对了解经典控制理论的发展过程会是有益的。
通常，从事自动化技术工作的人员，在得到给定任务的技术要求或性能指标后，首先要了解给定控制对象的动态特性以及可能采用的元、部件的特性和设计参数，然后对系统进行初步的分析或综合。为此，就要建立起以传递函数表示的数学模型，这就将实际的物理对象抽象为数学问题，而不管该系统是机械的，电的，或是气动、液压的，甚至是上述的混合体。用系统的方法进行设计，或是在计算装置上进行模拟，或是将系统的线性微分方程，用拉氏变换法转换成复变数的代数方程进行计算，以求得数学解，并同时对各种信号和扰动作用下的响应进行测试或试算。由于设计系统时曾给予一定的假设条件或含有非第十八章 自动化技术科学的形成和发展线性的因素，一般需经过若干次的试探法的演算，才能获得较为满意的系统参数，然后再依此建立起实际的物理系统，并通过系统实验，检验其所能达到的技术要求或性能指标，最后进行适当的修改、校正，完成系统设计的全过程。可以看出，控制理论在与应用的结合中，显示了它作为主要研究系统状态的运动规律，以及改变这种运动规律的方法和可能性的作用。
对于一些简单的自动化系统，尽管在应用自动调节技术的初期(50年代初)曾经采用了一些开环控制以及简易自动化装置，由于其控制简单，投资少，收效快，甚至到90年代初在一些要求不太高的场合还被采用。但是，这个时期的自动化，主要以引进反馈概念为其特征，如图18—1中虚线所示，形成闭环系统，即所谓反馈控制，该系统依据输入的控制指令，通过控制器控制被控对象，然后将控制结果的信息再返回来馈送给控制器，经过控制器与原给定值的比较(分析)，再对被控对象实施控制，如此反复循环，以达到或接近所要求的控制目的。这种反馈闭环控制可以克服被控制对象的特性变化和各种干扰因素所带来的误差，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。驱动雷达天线跟踪移动目标的伺服系统就是一个典型的实例。在生产上，这种方式多用于连续生产过程的自动化。由于石油、化工、冶金等生产过程，其处理对象大都是流体或连续生产过程，工艺比较稳定，传输、控制比较容易，因而在这些部门，生产过程的自动化进展就较快。
如前所述，用经典控制理论对控制系统的分析和综合的核心是采用频域法，其中包含主要用于线性系统的对数频率法、根轨迹法，以及用于非线性系统的描述函数法等，研究的内容主要是稳定性和动态品质问题。
所谓频域法，是指用传递函数来研究设计自动化系统。传递函数概念的产生与电工学有密切关系，且在线性电路的分析上得到了广泛的应用。但在一个较长时期内，在自动化技术领域中，常常把以多项式代数和拉氏变换为基础的传递函数方法，作为控制理论的研究和实际自动化系统设计工作中的一个主要方法。这一时期自动化系统的运算等工作，一般通过模拟计算装置来实现，由于模拟计算装置在性能上有一定局限性，所以尽管在设计系统时已尽量考虑得合理，依据运算结果也确定了所需的参数，但实际调试系统时，往往也只能作为似的参考值，仍需靠富有实践经验的人员在现场反复试凑。加上应用调节原理进行系统设计，通常/适用于对某些单输入一单输出的线性系统进行分析，而对于多输入一多输出的系统，以及随时间变化的时变系统、非线性系统等，则显得无能为力。勉力为然后再之，则必须加以若干假设条件的限制，这就不能不影响到控制系统的设计效果，从而也就需要寻找能适应这类控制对象的控制理论和设计手段。
进入50年代以后，经典控制理论有了许多新的发展。1951年苏联科学家齐普金提出了脉冲系统(一种离散时间系统)的分析和设计方法。1952年美国哥伦比亚大学教授拉加齐尼(J．R．Ragazzini)领导的一个小组详细研究了采样系统(一种离散时间系统)的分析和设计方法。与此同时，一些历史上早已提出的问题又得到了新的研究。如1938年香农等人提出的逻辑控制，1943年苏联沃兹涅先斯基提出的协调控制，1941年苏联数学家柯尔莫戈罗夫和美国数学家维纳分别独立研究出来的最优线性滤波器，1951年美籍中国科学家李耀滋(1914～)等人提出的自寻最优控制，1952年美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼提出的冗余技术，以及1952年英国精神病医生阿什比(w．R．Ashby)提出的自镇定和自适应等概念，逐渐渗入到控制理论的研究中来。高速飞行、核反应堆、大电力网和大化工厂提出的新的控制问题，促使一些科学家对非线性系统、继电系统、时滞系统、时变系统、分布参数系统和有随机输入的系统的控制问题进行了深入的研究。经典控制理论的方法基本上能满足第二次世界大战中军事技术上的需要和战后工业发展上的需要。但是到了50年代末就发现把经典控制理论的方法推广到多变量系统时会得出错误的结论。经典控制理论的方法显示出了一定的局限性。
（三）初步形成自动化技术工具的体系
在某种意义上讲，实现自动化就是把人对生产过程的测量、控制作用，转移到自动化仪表、装置上去，因而研究、设计各种自动化仪表、装置，就成为自动化技术科学的一个重要任务。尤其就现代的工业来说，生产装置本身就是非常复杂的系统，具有相互关联的特点，需要协调动作和控制。对于生产对象或过程特性的变量多、速度快、范围大和不确定性增加等情况，依靠人的直接参加进行控制几乎是不可能的，而且有些生产本身是对人有危害的。因此，不广泛采用自动化仪表装置，要想使工业生产迅速发展，工艺过程强化，生产对象扩大，确实是不可思议的。
最初的仪表大多属于机械式的测量仪表，如离心式转速表等，此时的自动化仪表一般只作为主机的附属部件，结构简单，功能单一。后来发展到气动式和电子式的单元组合式仪表，每个单元都具有一定的特定功能，可以按测量、控制要求进行任意组合，如系列化的DDZ型电动单元组合仪表就是属于这一类。从传感器、变送器来说，60年代主要采用结构型传感器，大都通过机构部分的位移或作用力，产生电阻、电感、电容、气隙等的变化，从而检测出被测信号，这是至今仍是应用得较多的一类传感器。从显示技术来说，40年代到50年代，以模拟指示和记录为主，进行单参数显示，仪表盘通常设在生产装置处，由操作者巡回监视。到了60年代，则以模拟指示和记录、数字显示和打印为主，显示特征为多参数显示和报警发讯数据及打印记录。此时的仪表盘一般集中安装，集中管理，并相应配置模拟流程图表盘。
这一时期主要是解决自动化仪表从无到有以及达到基本性能要求的问题，如自动化仪表在性能方面，主要解决测量范围、精确度、线性度、分辨率、滞环和死区、重复性、再现性、稳定性、灵敏度、时滞和响应时间等问题，在形式与功能方面主要采用静态和接触的方式对热工参量、电工参量和单参数的模拟量进行测量，并可适当的进行数字测量。在控制方式上，从20世纪初的开关控制发展到比例控制，然后是积分控制，到40年代发展到微分控制，利用这一类简单的反馈技术，形成为一整套自动化调节过程的通用控制方式，即通常以比例一积分一微分(PID)调节器为中心，按偏差调节。