第二次世界大戰後自動化裝置

A. 自動化的發展介紹

1946年，美國福特公司的機械工程師D.S.哈德最先提出「自動化」一詞，並用來描述發動機汽缸的自動傳送和加工的過程。50年代，自動調節器和經典控制理論的發展，使自動化進入以單變數自動調節系統為主的局部自動化階段。60年代，隨現代控制理論的出現和電子計算機的推廣應用，自動控制與信息處理結合起來，使自動化進入到生產過程的最優控制與管理的綜合自動化階段。
70年代，自動化的對象變為大規模、復雜的工程和非工程系統，涉及許多用現代控制理論難以解決的問題。這些問題的研究，促進了自動化的理論、方法和手段的革新，於是出現了大系統的系統控制和復雜系統的智能控制，出現了綜合利用計算機、通信技術、系統工程和人工智慧等成果的高級自動化系統，如柔性製造系統、辦公自動化、智能機器人、專家系統、決策支持系統、計算機集成製造系統等。
自動裝置的出現和應用是在18世紀。自動化技術形成時期是在18世紀末～20世紀30年代。1788年英國機械師J.瓦特發明離心式調速器（又稱飛球調速器），並把它與蒸汽機的閥門連接起來，構成蒸汽機轉速的閉環自動控制系統。瓦特的這項發明開創了近代自動調節裝置應用的新紀元，對第一次工業革命及後來控制理論的發展有重要影響。人們開始採用自動調節裝置，來對付工業生產中提出的控制問題。這些調節器都是一些跟蹤給定值的裝置，使一些物理量保持在給定值附近。自動調節器應用標志著自動化技術進入新的歷史時期。進入20世紀以後，工業生產中廣泛應用各種自動調節裝置，促進了對調節系統進行分析和綜合的研究工作。這一時期雖然在自動調節器中已廣泛應用反饋控制的結構，但從理論上研究反饋控制的原理則是從20世紀20年代開始的。1833年英國數學家C.巴貝奇在設計分析機時首先提出程序控制的原理。1939年世界上第一批系統與控制的專業研究機構成立，為20世紀40年代形成經典控制理論和發展局部自動化作了理論上和組織上的准備。
20世紀40～50年代是局部自動化時期第二次世界大戰時期形成的經典控制理論對戰後發展局部自動化起了重要的促進作用。在問題的過程中形成了經典控制理論﹐設計出各種精密的自動調節裝置﹐開創了系統和控制這一新的科學領域。這一新的學科當時在美國稱為伺服機構理論﹐在蘇聯稱為自動調整理論﹐主要是解決單變數的控制問題。經典控制理論這個名稱是1960年在第一屆全美聯合自動控制會議上提出來的。1945年後由於戰時出版禁令的解除﹐出現了系統闡述經典控制理論的著作。1945年美國數學家維納﹐N.把反饋的概念推廣到一切控制系統。50年代以後﹐經典控制理論有了許多新的發展。。經典控制理論的方法基本上能滿足第二次世界大戰中軍事技術上的需要和戰後工業發展上的需要。但是到了50年代末就發現把經典控制理論的方法推廣到多變數系統時會得出錯誤的結論。經典控制理論的方法有其局限性。
20世紀40年代中發明的電子數字計算機開創了數字程序控制的新紀元﹐雖然當時還局限於自動計算方面，但ENIAC和EDVAC的製造成功﹐開創了電子數字程序控制的新紀元。電子數字計算機的發明為60～70年代在控制系統中廣泛應用程序控制和邏輯控制以及廣泛應用電子數字計算機直接控制生產過程奠定了基礎。
20世紀50年代末起至今是綜合自動化時期，這一時期空間技術迅速發展，迫切需要解決多變數系統的最優控制問題。於是誕生了現代控制理論。現代控制理論的形成和發展為綜合自動化奠定了理論基礎。同時微電子技術有了新的突破。1958年出現晶體管計算機，1965年出現集成電路計算機，1971年出現單片微處理機。微處理機的出現對控制技術產生了重大影響﹐控制工程師可以很方便地利用微處理機來實現各種復雜的控制，使綜合自動化成為現實。「自動化(Automation)」是美國人D.S.Harder於1936年提出的他認為在一個生產過程中，機器之間的零件轉移不用人去搬運就是「自動化」。

B. 自動控制系統的發展及技術現狀是什麼

1基本概念

如圖4-1所示框圖說明了控制系統的基本概念，動作信號通過（經由）控制系統元件後，提供一個指示，此系統的目的就是將變數c控制於該指示內。一般來說，被控變數為系統的輸出，而動作信號為系統的輸入。舉一個簡單的例子，汽車的方向控制（Steering Control），兩個前輪的方向可視為被控制變數，即輸出；而其方向盤的位置可視為輸入，即動作信號e。再如，若我們要控制汽車的速度，則加速器的壓力總和為動作信號，而速度則視為被控變數。

圖4-13自動化生產線

5）大系統理論的誕生

系統和控制理論的應用從60年代中期開始逐漸從工業方面滲透到農業﹑商業和服務行業，以及生物醫學﹑環境保護和社會經濟各個方面。由於現代社會科學技術的高度發展出現了許多需要綜合治理的大系統，現代控制理論又無法解決這樣復雜的問題，系統和控制理論急待有新的突破。在計算機技術方面，60年代初開始發展資料庫技術，1970年提出關系資料庫，到80年代資料庫技術已經達到相當的水平。60年代末計算機技術和通信技術相結合產生了數據通信。1969年美國國防部高級研究局的阿帕網（ARPA）的第一期工程投入使用取得成功，開創了計算機網路的新紀元。資料庫技術和計算機網路為80年代實現管理自動化創造了良好的條件。管理自動化的一個核心問題是辦公室自動化，這是從70年代開始發展起來的一門綜合性技術，到80年代已初步成熟。辦公室自動化為管理自動化奠定了良好的基礎。

國際自動控制聯合會（IFAC）於1976年在義大利的烏第納召開了第一屆大系統學術會議，於1980年在法國的圖魯茲召開第二屆大系統學術會議。美國電氣與電子工程師學會（IEEE）於1982年10月在美國弗吉尼亞州弗吉尼亞海灘舉行了一次國際大系統專題討論會。1980年在荷蘭正式出版國際性期刊《大系統──理論與應用》。這些活動標志著大系統理論的誕生。

6）人工智慧和模式識別

用機器來模擬人的智能，雖然是人類很早以前就有的願望，但其實現還是從有了電子計算機以後才開始的。1936年，圖靈提出了用機器進行邏輯推理的想法。50年代以來，人工智慧的研究是基於充分發揮計算機的用途而展開的。

早期的人工智慧研究是從探索人的解題策略開始，即從智力難題﹑弈棋﹑難度不大的定理證明入手，總結人類解決問題時的心理活動規律，然後用計算機模擬，讓計算機表現出某種智能。1948年美國數學家維納在《控制論》一書的附註中首先提出製造弈棋機的問題。1954年美國國際商業機器公司（IBM）的工程師塞繆爾應用啟發式程序編成跳棋程序，存儲在電子數字計算機內，製成能積累下棋經驗的弈棋機。1959年該弈棋機擊敗了它的設計者。1956年赫伯特·西蒙和艾倫·紐厄爾等研製了一個稱為邏輯理論家的程序，用電子數字計算機證明了懷特海和羅素的名著《數學原理》第二章52條定理中的33條定理。1956年M．L．明斯基、J．麥卡錫、紐厄爾、西蒙等10位科學家發起在達特茅斯大學召開人工智慧學術討論會，標志人工智慧這一學科正式誕生。1960年人工智慧的4位奠基人，即美國斯坦福大學的麥卡錫、麻省理工學院的明斯基、卡內基梅隆大學的紐厄爾和西蒙組成了第一個人工智慧研究小組，有力地推動了人工智慧的發展。從1967年開始出版不定期刊物《機器智能》，共出版了9集。從1970年開始出版期刊《人工智慧》。從1969年開始每兩年舉行一次人工智慧國際會議（IJCAI）。這些活動進一步促進了人工智慧的發展。70年代以來微電子技術和微處理機的迅速發展，使人工智慧和計算機技術結合起來。一方面在設計高級計算機時廣泛應用人工智慧的成果，另一方面又利用超級微處理機實現人工智慧，大大地加速了人工智慧的研究和應用。人工智慧的基礎是知識獲取﹑表示技術和推理技術，常用的人工智慧語言則是LISP語言和PROLOG語言，人工智慧的研究領域涉及自然語言理解﹑自然語言生成﹑機器視覺﹑機器定理證明﹑自動程序設計﹑專家系統和智能機器人等方面。人工智慧已發展成為系統和控制研究的前沿領域。

1977年E．A．費根鮑姆在第五屆國際人工智慧會議上提出了知識工程問題。知識工程是人工智慧的一個分支，它的中心課題就是構造專家系統。1973—1975年費根鮑姆領導斯坦福大學的一個研究小組研製成功一個用於診治血液傳染病和腦膜炎的醫療專家系統MYCIN，能學習專家醫生的知識，模仿醫生的思維和診斷推理，給出可靠的診治建議。1978年費根鮑姆等人研製成功水平很高的化學專家系統DENDRAL。1982年美國學者W．R．納爾遜研製成功診斷和處理核反應堆事故的專家系統REACTOR。中國也已經研製成功中醫專家系統和蠶育種專家系統。現在專家系統已應用在醫學﹑機器故障診斷﹑飛行器設計﹑地質勘探﹑分子結構和信號處理等方面。

為了擴大計算機的應用，使計算機能直接接受和處理各種自然的模式信息，即語言﹑文字﹑圖像﹑景物等，模式識別研究受到人們的重視。1956年，塞爾弗里奇等人研製出第一個字元識別程序，隨後出現了字元識別系統和圖像識別系統，並形成了以統計法和結構法為核心的模式識別理論，語音識別和自然語言理解的研究也取得了較大進展，為人和計算機的直接通信提供了新的介面。

60年代末到70年代初美國麻省理工學院﹑美國斯坦福大學和英國愛丁堡大學對機器人學進行了許多理論研究，注意到把人工智慧的所有技術綜合在一起，研製出智能機器人，如麻省理工學院和斯坦福大學的手眼裝置﹑日立公司有視覺和觸覺的機器人等。由於機器人在提高生產率，把人從危險﹑惡劣等工作條件下替換出來，擴大人類的活動范圍等方面顯示出極大的優越性，所以受到人們的重視。機器人技術發展很快，並得到越來越廣泛的應用，並在工業生產﹑核電站設備檢查﹑維修﹑海洋調查﹑水下石油開采﹑宇宙探測等方面大顯身手，正在研究中的軍用機器人也具有較大的潛在應用價值。關於機器人的設計﹑製造和應用的技術形成了機器人學。

總結人工智慧研究的經驗和教訓，人們認識到，讓機器求解問題必須使機器具有人類專家解決問題的那些知識，人工智慧的實質應是如何把人的知識轉移給機器的問題。1977年，費根鮑姆首倡專家系統和知識工程，於是以知識的獲取﹑表示和運用為核心的知識工程發展起來。自70年代以來，人工智慧學者已研製出用於醫療診斷﹑地質勘探﹑化學數據解釋和結構解釋﹑口語和圖像理解﹑金融決策﹑軍事指揮﹑大規模集成電路設計等各種專家系統。智能計算機﹑新型感測器﹑大規模集成電路的發展為高級自動化提供了新的控制方法和工具。

50年代以來，在探討生物及人類的感覺和思維機制，並用機器進行模擬方面，取得一些進展，如自組織系統﹑神經元模型﹑神經元網路腦模型等，對自動化技術的發展有所啟迪。同一時期發展起來的一般系統論﹑耗散結構理論﹑協同學和超循環理論等對自動化技術的發展提供了新理論和新方法。

C. 自動化立體倉庫的發展歷史和起源

自動化立體倉庫的產生和發展是第二次世界大戰之後生產和技術發展的結果。50年代初，美國出現了採用橋式堆垛起重機的高架倉庫；50年代末60年代初出現了司機操作的巷道式堆垛起重機高架倉庫；1963年美國率先在高架倉庫中採用計算機控制技術，建立了第一座計算機控制的高架倉庫。此後，自動化高架倉庫在美國和歐洲得到迅速發展，並形成了專門的學科。60年代中期，日本開始興建高架倉庫，並且發展速度越來越快，成為當今世界上擁有自動化高架倉庫最多的國家之一。
我國對高架倉庫及其物料搬運設備的研製開始並不晚，1963年研製成第一台橋式堆垛起重機（機械部北京起重運輸機械研究所負責），1973年開始研製我國第一座由計算機控制的自動化高架倉庫（高15米，機械部北京起重運輸機械研究所負責），該庫1980年投入運行。到目前為止，據不完全統計，我國高架倉庫數量已超過500座。高架倉庫由於具有很高的空間利用率、很強的入出庫能力、採用計算機進行控制管理而利於企業實施現代化管理等特點，已成為企業物流和生產管理不可缺少的技術，越來越受到企業的重視。
自動化高架倉庫應用范圍很廣，幾乎遍布所有行業。在我國，自動化高架倉庫應用的行業主要有機械、制葯、IT、冶金、化工、航空航天、電子、食品加工、煙草、家電、印刷、配送中心、機場、港口等。