我国古代自动控制系统方面的成就 现代自动化机

?经典控制理论肇端于1788年J.Watt的蒸汽机离心调速器(一个自动调节系统)所带来的离心调速问题,这是一个典型的机械动力学问题。西方国家一般认为,1868年J.C. Maxwel在伦敦皇家协会论文集( Proceedings of the Royal Society ofLondon)第16卷上发表的《论调速器》是首次论述自动控制的论文,然而,我国在自动控制方面的发明比西方早几个世纪甚至十几个世纪。

以1027年宋代燕肃所造的指南车(见图1.6.1)为例。其中,中心大平轮(大轮)装在车辕上的一个立轴上,左、右附足立子轮是附装在左、右足轮(车轮)内侧的齿轮,左、右小平轮是传动齿轮。车辕则装在车轴中间的一个短立足上。木仙人装在中心大平轮立轴(中心贯心轮)的最上端的位置,假定其正指向南方。当车向右转弯时,辕的前端向右移,辕的后端必向左移,竹绳使左小平轮与中心大平轮和左附足立子轮啮合(注意此时右小平轮被提起)。左足轮与左附足立子轮转动左小平轮和中心大平轮,如图1.6.1(a)所示,使中心大平轮逆时针转动,其转角恰能抵消车向右转弯的影响,从而使木仙人所指的方向不变。当车左转弯时,同理。根据自动控制理论分析这是一个开环的顺馈控制系统(关于这一点将在6.6节顺馈校正中讨论)。

在此,不介绍东汉张衡所研制成功的候风地动仪(这是一个极为巧妙的监测地震的大型仪器,我国现已成功地复制出来了),而来介绍水运仪象台。水运仪象台的发明也能充分说明我国古代在自动控制方面的杰出创造。公元1086-1089年苏颂和韩公廉制成了一座水运仪象台。该装置是用水作为动力来转动一个枢轮,而后者必须做恒速回转(400r/d)以驱动浑象和浑仪两个齿轮系。水运仪象台的齿轮传动系统和枢轮转速恒定系统分别如图1.6.2(a)、(b)所示,装置利用张衡的铜壶滴漏原理。滴漏的最后一个壶(平水壶)内的水平面总保持恒定不变,这样,在同一时间内由平水壶下边出水口流出的水量就能保持恒值,流出的水注入枢轮轮辐上的受水壶,当积水到达一定的重量时,格叉处因压力增大而下降,经过天条及天衡使天关被提上升,使枢轮顺时针旋转。转过一个受水壶后,格叉处所受的压力去除,关舌和格叉等受枢衡枢权的影响又行上升,同时经过天条及天衡又使天关下落,下一个轮辐上的受水壶被阻住,这样,因漏水量的等时性而得到枢轮转动的等时性(即400r/d)从自动控制理论角度分析,显然,该装置是一个利用误差来进行控制的、具有负反馈的自动调整系统。它比J.Watt的蒸汽机离心调速器要早近700年。

这些杰出的创造绝非偶然。因为在过去几千年的历史里,我国人民在科学、技术上有不少极有价值的发现、发明与创造,而且时间上都要比别的国家更早。英国学者Joseph Needham(1900-195)博士在其巨著《中国的科学与文明》( Science andCivilization in China)中公正而充分地揭示了这一事实。自动调整、自动控制等方面的课题,是人类的生产及与其相联系的科学技术进步到一定阶段时必然会遇到的同题。由于我国古代在天文、数学、水利、机械等科学技术方面都有突出的成就,发明和使用自动调整系统,就很自然了。

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