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中华学生百科全书-第32部分
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尽管如此，也有一些比较成功的例子。如 1959 年美国的波特阿瑟（Port
Arther）炼油厂就采用了计算机控制系统，总共控制 26 个流量、72 个温度
值、3 个压力和 3 种化学成分。控制系统的基本功能是使反应器的压力最小，
确定 5 个反应器供料的最优分配、最佳的热流量循环。计算机除主要用于寻
找系统最佳运行条件外，还要完成原料调度、生产计划、报告产量和能源消
耗等任务。这个系统的成功，使计算机找到了新的应用领域，使工业界看到
了一种提高自动化的新工具。
计算机直接参与生产过程的另一个成功实例发生在英国。1962 年，英国
帝国化学工业公司（ICI）用一台名为费伦蒂．阿格斯（Ferrenti Argus）的
计算机直接测量 224 个控制量和控制 129 个阀门，在保持原有功能的条件下
取代了原系统中所有的模拟仪表装置，这就是我们说的直接数字控制（DDC）
系统。DDC 系统显示出的巨大优越性，使它在 1963～1965 年间获得了长足进
步。
1972 年以后，由于微型计算机的出现和发展，计算机价格大幅度下降，
计算机控制技术真正得到了迅速发展。计算机控制不仅在过程控制中的应用
日渐成熟，而且在机电控制、机械加工、航天技术和各种军事装备中也得到
广泛应用，例如通讯卫星的姿态控制、卫星跟踪天线的方位角控制、飞机自
动驾驶仪、计算机数控机床、电气传动装置的计算机控制等。在许多精度要
求极高的领域，如工业机器人、现代导弹制导、航空航天等，计算机控制已
成为必不可少的重要环节。
数值控制
数值控制（Numerical Control），简称数控，（NC），是以数字形式实
现控制的技术。比如说数控机床加工，首先将待加工的工件形状数值化（即
用数字形式表示工件形状），然后在输入纸带上用组合穿孔的方式表示出来，
由此控制加工刀具的走刀轨迹进行自动加工。常见的数控机床、数控火焰切
割机、灵敏遥控绘图机、数控冲剪机等都是属于数控范围的自动化设备。
数控技术的关键是计算机，其发展也是与电子计算机的发展分不开的。
早在 1947 年，美国的帕森斯（PARSONS）公司，为了制作检查飞机螺旋桨的
样板，首先在坐标镗床上采用了数控技术，制作出精确的样板。以后美国空
军系统为了改进导弹和飞机性能，在美国麻省理工学院（MIT）成立了伺服系
统研究所，开始了对数控机床的系统研究。1952 年，该研究所根据第一代电
子计算机原理，研制成功了世界上第一台数控机床，也叫做 MIT 数控机床。
在加工精度和效率方面比普通机床大有提高。但是由于这种数控机床用的都
是真空电子管元件，因而数控装置体积较大，运算速度较慢，可靠性也不高，
因而限制了它的广泛使用。
我国早在 1958 年就制成了数控铣床，之后沈阳第一机床厂和北京第一机
床厂也制成了不同类型的数控机床，1970 年还研制成功加工中心。从 1976
年到 1984 年，我国共生产数控机床 8，584 台。现在我国除生产数控机床外，
还试制生产了一些盘类和箱体类零件的卧式和立式加工中心，并有少量数控
机床出口。1984 年以来，在推广南京和常州生产的微型控制车床后，数控机
床的研制和使用在我国迅速推广，并且取得了可喜成果。
柔性制造系统
80 年代以来，工业技术比较发达的国家为了进一步提高劳动生产率，降
低生产成本，缩短产品研制或生产周期，增强产品更新换代和产品市场竞争
能力，开始把计算机作为中枢，组成由各类数控机床、监测设备和其他机器
构成的自动化生产系统、自动仓库系统、自动输送系统和计算机生产管理系
统。目前，人们把这些具有高度自动化的各类系统统称为柔性生产系统，各
个生产环节的设计人员只要把生产任务编写成相应的程序，输入到计算机控
制中心，由人通过电子监控装置观察机器的运转情况就行了。
机械制造自动化迄今已有几十年历史。早期由于技术水平的局限性，只
能在大规模生产领域内引入生产自动化。30 年代到 50 年代间，人们主要建
立了由机械式或液压式的自动车床、组合机床或专用机床组成的单品种生产
自动线。这种自动生产线有其固定的生产节奏，要改变加工品种是非常困难，
且费用极高，故称之为“刚性自动化生产线”。到了 60 年代，人们意识到大
批量生产只是机械制造业的小部分，约占 15％～25％，而中、小批量生产要
占到 75％～85％。比如在日本，多品种、中小批量生产企业的产量是大批量
生产企业的两倍，但是雇员却是大批量生产企业的 4 倍。由此可见，在国民
经济生产部门中比重占绝对优势的多品种、中小批量生产企业的劳动生产率
大大落后于大批量生产企业，这就迫使人们寻找新的生产方式来改变这种落
后局面。
美国森斯特兰德公司在 1967 年建成了世界上最早的柔性制造系统
（FMS）。在随后的 10 年中，又继续开发了几十套 FMS。在此期间，FMS 的技
术先进性得到充分证明，其经济效益也十分显著。在此基础上，FMS 数目激
增 3 倍，用户的兴趣和社会需求也持续高涨。此后，每年 FMS 的平均增长率
均在 30％～40％。
近年来，我国走国外引进和自行开发并举的道路，在 FMS 的研制和应用
方面获得了长足进步，并取得了比较明显的社会和经济效益。如北京机床研
究所为掌握当代机械制造新技术，与日本发那科公司合作，在 1985 年建立了
我国第一套柔性系统 JCS—FMS—1。该系统包括 5 台 CNC 机床、一台工业监
控计算机以及包括中央管理的计算机控制系统。
机电一体化
机电一体化，作为新型智能产品设计的原则，作为传统产品更新换代的
方向，作为生产、办公、家庭、医疗等领域自动化的基础，正日益为企业所
重视，新产品、新系统不断涌现，呈现出一片生机勃勃的美好景象。
机电一体化的概念是在现代微电子技术向传统机械工业渗透的过程中逐
步形成起来的，是机械、微电子、自动控制和计算机技术相互融合的产物，
是一门具有交叉性、边缘性、多学科性的综合技术。机电一体化的目标是使
产品向多功能化、高效率化、高智能化、省料节能化方向发展，并力求使产
品结构具有轻、薄、细、巧的特征，以便满足社会生产自动化和人民生活多
样化的要求。
目前机电一体化主要有如下两种方式。第一种是机械产品电子化，即在
原有机械产品上采用新的微电子技术，使产品在质量、性能、功能、效率和
节能诸方面都有较大幅度提高，甚至能使产品结构发生质的飞跃。
比如汽车电子化，对于节省燃料、减少环境污染和提高行驶安全性来说，
是至关重要的。用微处理器（即微电脑）控制汽车发动机的点火、燃油喷射
量、空气燃油比和废气再循环，可以促使燃烧完成，节约能源和减少大气污
染。统计资料表明，采用微机控制燃油喷射量可以节油 10％～20％。再加上
微机控制汽车速度，使汽车在不同情况下都处于最经济合理运转状态，可节
油 5％～6％。此外，电子小汽车上还采用了微电子技术控制排气，可以使排
出的废气中有毒气体（如碳氢类气体、一氧化氮和一氧化碳等）含量最低。
还有汽车高速行驶防撞车控制系统，汽车行驶闭环控制系统等，为提高汽车
行驶安全、防止交通事故提供了保障。
机电一体化的第二种方式是机械技术与电子技术有机结合，开辟了两者
单独使用时都不能达到的效果。
机电一体化技术革命的发展时间虽然不长，但已成为机械和电子工业发
展的巨大推动力。因此，世界工业发达国家，甚至许多中等发达国家都对开
发技术密集型的机电一体化产品，提高各种机械电子设备的自动化和智能化
极端关注。在机电一体化技术和应用方面，日本和美国走在世界的前列。
相对来说，我国的数控机床、工业机器人等机电一体化技术，起步并不
算晚，但发展速度不快。为此国家提出了振兴我国机电工业的中长远目标，
即在今后 10 到 15 年内，使我国主要机电产品达到工业发达国家 70 年代末和
80 年代初的水平，部分产品争取接近国际水平。
全面自动化
电子计算机的产生、发展及其在工业生产中的广泛应用，使得以机械工
业为代表的离散型生产方式孕育了一场新的技术革命——从局部自动化走向
全面自动化，即由原来局限于产品制造过程的自动化扩展到脑力劳动领域的
产品设计和经营管理自动化，促进机械工业，进而带动整个工业企业实现运
营综合自动化，这就是计算机集成制造系统（puter In…tegrated
Manufacturing Systems，简称 CIMS）的基本思想。1974 年美国的约瑟夫．
哈林顿（JOsePh Harrington）博士在《计算机集成制造》一书中，率先提出
了这一具有划时代意义的新概念。根据他的设想，CIMS 在功能上应包含一个
工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工制造、经营管理
到售后服务的全部活动。因为这些活动是一个不可分割的整体，必须统一考
虑。所以 CIMS 比传统的工厂自动化的范围广得多，是一个复杂的大系统。另
外一点要注意的是，CIMS 涉及的综合自动，不是工厂各个生产环节自动化和
计算机化的简单迭加，而是这些环节的有机集成。这里所说的集成，不仅是
物质和设备的集成，更主要的是体现在以信息集成为特征的技术集成。
综合上述两点看法，我们可以给 CIMS 下一定义：CIMS 是在自动化技术、
信息技术和制造技术的基础上，通过计算机硬件和软件，将制造工厂全部生
产活动所需的各种分散的自动化系统有机地集成起来，是适合于多品种、中
小批量生产的、具有总体高效益、高柔性的智能制造系统。
从学科看，CIMS 是系统科学、控制论、计算机科学与制造技术相互渗透
产生的集成方法和技术。通过将这些技术应用到实际的生产制造过程中，反
过来又促进了这些学科的发展。
目前，我国的 CIMS 单元技术十分薄弱，系统集成技术也刚刚起步，因此
必须根据实际经济和技术力量，确定一个符合中国国情的有限目标和一条行
之有效的发展我国 CIMS 的途径。所以国家根据世界高技术的发展趋势和制造
业未来技术改造的需要，在把 CIMS 选择为中国高技术发展计划的主题项目的
同时，还明确规定了 2000 年 863／CIMS 的战略目标，即跟踪国际上 CIMS 高技
术的发展，掌握 CIMS 的关键技术，同时在制造业中建立能获得综合经济效
益、并能带动整个行业的 CIMS 示范点。
应当指出，虽然世界各国都十分重视 CIMS 的开发和研制，并投以大量人
力和物力，但总的来说，目前仍处于初级阶段。比如现在美国正在实施 CIMS
的近 10 万家企业，其中大约 3／4 的企业尚处于刚刚开始阶段，他们用计算机
完全辅助管理、设计和生产等工作，多为单机自动化，离 CIMS 的目标还相距
甚远。真正实施 CIMS 的企业大约只有 100 多家。即使在这些公司中，所建成
的 CIMS 大多是在一个工段、一个车间或者一个分厂范围内实现计算机集成化
的。比如美国通用电气公司的 CIMSM，把销售、经营、产品设计、工艺设计、
数控加工等 8 个子系统集成在一起，虽是美国规模较大的 CIMS，但也只限于
在蒸汽涡轮发电机的小零件生产车间。通用汽车公司的 CIMS 虽然规模稍大
些，但也只限于生产汽车前轮驱动轴部件的工厂。
自动控制的应用
工厂自动化
工厂自动化是指用自动装置或系统控制来管理生产设备及生产过程，它
集计算机技术、自动化技术、激光技术和机器人技术之大成，是本世纪 80
年代到 90 年代工业生产中主攻技术方向之一。
一般认为，工厂自动化是指利用计算机充分掌握从接受订货开始，到产
品发货结束之间所有生产活动的复杂信息流，并对生产系统整体进行高度管
理和控制的自动化过程。其目的主要是：①省力；②提高设备运转率和利用
率；③实现高效生产管理，即减少零件、材料、半成品和成品的库存量、减
少资金积压，加快资金周转，创造大的经济效益；①缩短从产品规划、设计、
研制到产品出厂之间的生产周期；⑤满足用户对产品的多样化、多功能化和
智能化需求。
工厂自动化，按其性质又可分为连续生产自动化和断续生产自动化两
种。
连续生产自动化又叫过程自动化，主要是指石油、化工、冶金、电力等
工业部门中连续生产过程的自动化。即通过采用各种检测仪表、调节仪表、
控制装置、电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、
监督和控制，以达到实现各种最优的技术经济指标，提高经济效益和劳动生
产率，节约能源、改善劳动条件、保护生态环境等目标。
由于连续生产自动化处理的对象是流体或粉体，传输与控制比较容易，
所以进展很快。本世纪 40 年代开始，人们开始使用分散式测量仪表和控制装
置，进行单参数自动调节，取代了传统的手工操作。
到了 50 年代，人们开始把检测与控制仪表集中在中央控制室，实行车间
集中控制，一些工厂企业初步实现了检测仪表化和局部自动化。这一阶段，
过程控制系统结构绝大多数还是单输入单输出系统，受控变量主要是温度、
压力、流量和液位四种参数，控制的目的是保持这些参数的稳定，消除或减
少对生产过程的干扰影响。而过程控制系统采用的方法是经典控制理论中的
频率法和轨迹法，主要解决了单输入单输出系统的常值控制和系统综合控制
问题。
60 年代，工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求（如高效率、
高质量、高可靠性等），电子技术的飞速发展也为生产过程自动化提供了功
能较完善的工具和手段。在自动化仪表方面，开始大量采用单元组合仪表。
为了满足定型、灵活、多功能等要求，还出现了组装仪表，以适应比较复杂
的模拟和逻辑规律相结合的控制系统需要。与此同时，开始采用电子计算机
对大型设备，如大型蒸馏塔、大型轧钢机等，进行最优控制，实现了直接数
字控制（DDC）及设定值控制（SPC）。在系统方面，为了提高控制性能和实
现某些特殊控制要求，出现了包括反馈和前馈的复合控制系统。在过程控制
理论方面，除了仍采用经典控制理论解决实际生产过程中的问题外，现代控
制理论也开始得到应用，控制系统由单变量系统转向复杂的多变量系统。在
此期间，工厂企业实现了车间或大型装置的集中控制。
70 年代以来，现代工业生产的迅猛发展，自动化仪表与硬件的开发，微
计算机的问世，使生产过程自动化进入了新的高水平阶段。对整个工厂或整
个工艺流程的集中控制，应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台
计算机对生产过程进行分级综合控制和参与经营管理，是这一阶段的主要特
征。在新型自动化技术工具方面，开始采用微机控制的智能单元组合仪表，
显示和调节仪表，以适应各种复杂控制系统的需要。现代控制理论中的状态
反馈、最优控制和自适应控制等设计方法和特殊控制规律，在过程控制中得
到了广泛应用，自动化技术呈现出一派欣欣向荣的新景象。
自动化技术一问世就显示出了强大的生命力，应用自动生产线，大大提
高了劳动生产率。不到 3 年时间，使汽车生产成本下降近 3 倍，只用 8 年就
使汽车销售价格下跌到原价的 9％，使汽车迅速进入千万普通人家。汽车工
业自动化的发展，使钢铁和石油的产量和质量都有大幅度提高。而且电子计
算机在机械制造生产中的应用，使传统的机械制造业焕发了青春。计算机与
机床结合，出现了数控机床和计算机数控机床；应用 CAD／CAM、工业机器人
等技术的柔性制造系统，可减少劳力 20～80％，提高生产率 10 倍以上；CIMS
更为工厂全面自动化，实现无人工厂铺平了道路。正如邓小平同志在全国科
学大会开幕词中所指出的：“电子计算机、控制论和自动化技术的发展，正
在迅速提高生产自动化的程度，同样数量的劳动力，在同样的劳动时间里，
可以生产出比过去多几十倍几百倍的产品。”
农业自动化
提起农村，想必有些人的脑海中会涌现出一排低矮的茅舍，男耕女织，
日出而作，日落而息。可是这些都已成为历史了。今天的农村，稻（麦）浪
滚滚，一排排新房拔地而起，到处都散发着现代生活气息。科学技术的进步
已经或正在使农业劳动者摆脱落后的手工耕作方式，沿着农业自动化的道路
大踏步前进。
农业自动化意味着农业生产的电子化、仪表化和计算机控制化，而不仅
仅是机械化（如拖拉机、收割机、插秧机等）和电气化（农村小水电站、电
力灌溉等）。农村自动化的目的在于减轻或消除靠天吃饭，部分地摆脱对气
候条件和地域条件的依赖性，提高农林牧副渔的品种、产量和数量。不过由
于农业领域中许多复杂和不确定性因素，农业自动化比起工业自动化来说要
困难得多。尽管如此，随着现代科学技术在农业中的迅速推广和应用，农业
自动化仍然取得了巨大的进步。下面我们仅从几个方面加以叙述。
（1）环境控制与自动化
农业设施的环境控制，指的是家禽家畜的饲养环境控制和植物生产环境
的控制，可以实现提高生产率和节能的双重目的。
（2）果实筛选自动化
农作物产品的外形和质量通常有较大差异，因此有必要进行分等分类筛
选。过去单靠人的视觉和触觉进行筛选，很多情况下难以保证质量，而且劳
动生产率极低。采用自动化技术后，可以根据果实的重量、大小、颜色、光
学特性、电磁特性等特征信息而实现自动分拣分类。如日本农林水产有四国
农业试验场开发研制出的番茄自动分选计算机控制系统，可以在不损伤番茄
的条件下，按重量及成熟程度自动分选。
（3）喷灌自动化
喷灌就是喷水灌溉，即利用水泵和管道系统，在一定的压力下把水喷到
空中，散为细小水滴，像下雨一样灌溉农作物。由于喷灌具有较显著的省水
增产效益，因而近 30 年来发展很快。尤其是采用自动化技术后，经济效益更
是显著提高。
（4）水库灌区管理自动化
水库灌区管理自动化包括如下 3 个方面的内容：
①灌区土壤水分的自动监测；
②灌区地下水位的自动监测；
③渠系闸门的自动开启和关闭。
具体来说，就是在灌区内，布点设置土壤水分监测仪器（如湿度传感器），
选点布设地下水位检测传感器，改善渠系闸门控制装置，建立计算机监控管
理系统。这样就可以利用电子通信设备，将各选点处传感器收集到的土壤水
分、地下水位深度以及气象的数据信息传送到中央控制室，经电脑分析处理
后，给出优化方案，决定灌区内各片土地灌与不灌、先灌和后灌，并且利用
微机控制渠系内各闸门的启闭，适时适量科学引入灌溉，既能保证农作物丰
产增收，同时还能满足城乡的工业生产和居民生活用水，其经济效益和社会
效益是显而易见的。
总起来说，农业（包括林业、渔业、牧业和副业）是自动化技术应用的
广阔天地，特别是随着现代生物工程技术和生物控制论在农业生产领域的推
广应用，必将为人类解决诸如粮食短缺、资源枯渴、环境污染等迫在眉睫的
重大问题提供完美的措施和方案。
办公室自动化
随着现代社会信息化的逐步深入，办公室工作人员的信息处理工作量急
剧增加，从而迫使人们从提高工作效率着眼，从办公室的计算机化入手，从
70 年代后期开始，展开了一场声势浩大的办公室自动化运动。这场运动在经
济发达的国家已随着花样不断翻新的各种音响、图象、数据处理、计算机图
形终端、通信、编辑排版系统、印刷设备的涌现而正在引向深化。
简单地说，办公室自动化的本质就是利用现代科学技术（如计算机技术、
控制技术、通�
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