1. 第一次工业革命

早期的工业生产，除人力之外只有以畜力、风力或水力作为动力。人类为了生存及生活得 更美好，在同自然界的斗争中深感自己的渺小和无力，总是梦想自己能够具有大象般的力量和 骆驼一样的耐力。

在18世纪60年代前后开始于英国的工业革命称为第一次工业革命，又称为产业革命或第 一次科技革命。1788年瓦特发明了蒸汽机，蒸汽机的发明实现了人类多年的愿望，解决了动力 来源问题，最终导致了产业革命，使生产力得到了巨大发展。这是近代以来的第一次世界性技 术革命。

机械动力的使用，第一次有可能把人类从繁重的劳动中解放出来，使生产效率得到了极大 的提高。以蒸汽机的发明和应用为主要标志，从此人类进入“机械时代”。具有良好的自动控制

系统是蒸汽机得以成功应用的必要条件之一，它标志着机械自动化领域技术化和理论化阶段的 开始。蒸汽机上的离心式自动调速装置是机械式自动控制系统的代表（见图1.1.1)。但由于每个 需要动力的工厂必须安装锅炉、蒸汽机、笨重的皮带轮轴传动装置，还需要自己解决燃料来源 及运输等问题，仍然很不方便。

机械装置是由轴、齿轮、凸轮、皮带、杠杆等机械零件组成的，机械钟表是人们日常生活 中最常见的机械装置，利用机械装置可以实现生产机械的自动化。但是机械自动化具有其天然 的缺陷：一是机械动力无法远距离传输；二是机械装置无法进行远距离控制；三是机械装置全 部是刚性结构，一经制成便无法改变，只能完成特定的功能，也就是说没有柔性。这些原因阻 碍了机械自动化的进一步发展。直到电气自动化技术与其相结合，机械自动化才进入了第二个 春天。

2. 第二次工业革命

“电”是一个与人们生活息息相关、密不可分的事物，人们从一开始对它恐惧到逐渐认识， 再到加以利用，经历了一个漫长的过程，“电”也因此改变了人类的命运。电的发明和利用， 促进了人类制造技术的发展，而以制造业为基础的工业文明，使得人类社会进入了一个崭新的 时代。

19世纪的第二次世界性技术革命是以电的发明和电力的广泛运用而开始的，大致发生在我 国清朝光绪到“中华民国”这段时间。电的发明和应用是大批科学工作者在一段时期内通过不 解的努力取得的成果，从此使人类进入“电气时代”。

所谓“电气时代”，是指以电能作为一种主要的能量形式支配着社会经济生活。电能的突出 优点在于：第一，它是一种易于传输的工业动力；第二，它还是极为有效、可靠的信息载体。 因此，电力时代主要体现在动力传输与信息传输两个方面。与动力传输相关联，出现了大型发 电机、高压输电网、各种各样的电动机和照明电灯；与信息传输相关联，出现了电报、电话和 无线电通信。这些伟大的发明使人类的生活进入了一个更光明、更美好的新时期。

早在我国东汉时期，王充在《论衡》一书中提到“顿牟掇芥”等问题。在公元前585年， 古希腊哲学家塞利斯己经发现了摩擦过的琥珀能吸引碎草等轻小物体。到1660年，马德堡的盖 利克发明了第一台摩擦起电机；1745年，荷兰人发明蓄电池；1819年，丹麦科学家奥斯特就发 现了电流的磁效应现象。1820年，法国科学家安培根据奥斯特的报告，对磁场与电流之间的又系作了进一步的整理与研究。他认为，两条电线平行放置的时候，电流流动的方向相同时，会 相互排斥；相反，则会相互吸引。如果将电线绕成线圈，通电后，线圈就会像自然界的磁石一 样。现在，安培的名字己经家喻户晓，成为电流强度单位的名称。大约在同一时期，德国人欧 姆发现了电阻定律：导体上存在着一种阻力，随着长度的增加而增加，但随着截面面积的增加 而减小。电阻的存在使电流随着电线长度的增加而逐渐减弱。1831年，英国科学家法拉第发现 了电磁感应现象，提出了发电机的理论基础。1837年英国发明电报，第二年美国就推广使用了。

1866年，德国工程师西门子制成了发电机；1870年，比利时人格拉姆发明了电动机，电力 开始被用来带动机器，成为补充和取代蒸汽动力的新能源。在电力的使用中，发电机和电动机 是相互关联的两个重要组成部分。发电机将机械能转化为电能；电动机则将电能转化成机械能。 1876年贝尔发明了电话；1879年爱迪生发明了世界上第一只实用的白炽灯，从此将光明带进人 们的生活。随后，电灯、电话、电焊、电钻、电车、电报等如雨后春笋般涌现出来。各种电动 生产工具和生活用具的出现，导致了对电的大量需求。

把电力应用于生产，必须解决远距离输送问题。1876年，俄国出现了街道及家庭的电力照 明。1882年，法国学者德普勒发现了远距离送电的方法。同年，美国著名发明家爱迪生在纽约 创建了美国第一个火力发电站，把输电线连接成网络。随着对电能需求的显著增加和用电区域 的扩大，直流电动机显示出成本高、易出事故等缺点。从19世纪80年代起，人们又投入了对 交流电的研究。交流电具有通过变压器任意变化电压的长处，使输电效率达到80%以上，最早 较大规模使用交流电是在电力照明中的应用。1885年，意大利科学家法拉第提出的旋转磁场原 理，对交流电机的发展起到了重要作用。19世纪80年代末90年代初，人们研制出三相异步发 电机，这种比较经济、可靠的三相交流电机迅速得到推广。

电、电流、电磁感应和电磁波的发明和应用，以及电力传输的成功，是使电力取代蒸汽动 力的重大突破，它使电力很快成为广泛应用的能源和动力。电力工业的发展进入新的阶段。电 力照亮了城市和农村，为工厂和矿山提供了方便、灵活的强大动力，成为生产、交通运输、通 信等全面转向工业化的决定因素。

随着发电厂的建立，需要有通、断大电流且耐受高压的断路器设备。20世纪20年代最简单 的断路器是金属棒与盛有水银的容器。接通时就将金属棒插入水银中，断开时将棒提起。这种 开关比较笨重，价钱也很贵，使用时要操动几次才能保证接触良好。这迫使人们寻求更好的办 法。除了在接通后开关触点要接触良好之外，随着功率和电流的增大，断路器断开时会产生火 花（称为电弧)。电弧的高温可以使触点烧环，甚至熔化，造成伤人或火灾。因此必须设法使电 弧及早熄灭，使电路得以分断成功。1893年，M.O.多里沃-多布罗夫斯基发明了电磁断路器， 1895年，英国费朗梯取得油断路器专利。

通常采用多台机组、多个发电站（包括水力及火力电厂），用输电线连接成网，形成了由众 多发电站、输电线、变电所、配电网及广大用户组成的电力系统。电力系统在负荷上能互相支 援，故障中有多路供电，使电能的供应更为安全可靠、经济高效。

电力系统中为了减小事故造成的损失，保护人身及设备的安全，必须有保护设施。最早的 保护设备只是简单的熔断器、避雷器、断路器等。随着机组的加大和电压等级的提高，陆续研 制出各种继电器及量测设备，组成保护电路，“继电保护”已经发展成为电厂中的一种专门技术。 直到现在人们的技术水平还不能完全适应需要，包括欧美工业发达的国家，也一再出现电力系 统失控，造成大面积停电。每次故障的损失常以数亿元计算。对电力系统稳定性的研究正在进 一步发展中，“继电保护”的市场需求是电气控制技术发展的基础条件。

19世纪末20世纪初，在世界上掀起了电气化的高潮，美国、德国由于最早实现了电气化而 迅速进入世界工业强国行列。电力技术的广泛应用，首先促进了电力工业、电气设备工业的迅 速发展。以发电、输电、配电这三个环节为主要内容的电力工业产生并发展起来了。发电机、 电动机、变压器、断路器及电线、电缆等电气设备制造工业也迅速兴起，同时还促进了材料、 工艺和控制等工程技术的发展。电力技术的发展使许多传统产业得到改造，使得一系列新技术 应运而生。

3. 第三次工业革命

伴随着人类文明的不断前行，人们始终没有停止对电力这种能源的开发与利用，应运而生 的电子技术也为人们更好地利用这种能源提供了巨大的帮助，而同样不断发展的客观要求，使 得电气产品由传统型向组合化、智能化、高灵敏度和高可靠性方向发展。

第三次工业革命从20世纪40年代开始，以电子技术的发明和应用为主要标志。

1) 电子管与晶体管

人类在与自然界斗争的过程中，不断总结和丰富着自己的知识。电子科学技术就是在生产 斗争和科学实验中发展起来的。1883年美国发明家爱迪生发现了热电子效应，随后在1904年弗 莱明利用这个效应制成了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作用，它首先被用于无线 电检波。1906年美国的德弗雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三个电极——栅极而发明了电Y 三极管，从而建立了早期电子技术史上最重要的里程碑。半个多世纪以来，电子管在电子技术 中立下了很大功劳。但是电子管毕竟成本高、制造繁、体积大、耗电多，自1948年美国贝尔实 验室的几位研究人员发明晶体管以来，在大多数领域中已逐渐用晶体管来取代电子管。但是， 不能否定电子管独特的优点，在有些装置中，无论从稳定性，经济性或功率上考虑，还需要采 用电子管。 .

1957年，美国通用电气公司研制出世界上第一个晶闸管，使半导体技术进入了强电领域。 其结构的改进和工艺的改革为新器件的开发和研制奠定了基础。经过近二十年的工艺完善和应 用开发，到20世纪70年代，晶阐管已趋于成熟，形成了从低压小电流到高压大电流的系列产 p^an。同时还派生了不对称晶闸管（ASCR)、逆导晶闸管（RCT)、双向晶闸管CTR1AC)等器件 20世纪80年代末期和90年代初期发展起来的，以功率MOSFET和IGBT为代表的，集高 频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力屯 子时代。

2) 集成电路

第一个集成电路是在1958年见诸于世的。集成电路的出现和应用，标志着电子技术发展到了 一个新的阶段。它实现了材料、元件、电路三者之间的统一；同传统的电子元件的设计与生产方 式、电路的结构形式有着本质的不同。随着集成电路制造工艺的进步，集成度越来越高，出现r 大规模和超大规模集成电路（如可在一块6md的硅片上制成一个完整的计算机)，进一步显示出 集成电路的优越性。集成电路的微型化和高可靠性使分立器件电路相形见绌、望尘莫及。

3) 数字计算机控制技术

(1) 数字逻辑控制技术

数字控制是按数字化的代码组成的程序对控制对象实现自动控制的一种方法。

数字控制和数字测量也在不断发展，并得到日益广泛的应用。数字控制机床和“自适应”

数字控制机床相继出现。目前利用电子计算机对几十台乃至上百台数字控制机床进行集中控制

(所谓“群控”）也己经实现。

(2) 计算机控制技术

随着半导体技术的发展和科学研究、生产与管理等的需要，电子计算机应时而兴起，并且 日臻完善。从1946年诞生第一台电子计算机以来，已经经历了电子管、晶体管、集成电路及超 大规模集成电路四代，运算速度己达每秒千亿次。自从1971年美国Intel公司生产出世界上第一 台微处理器Intel 4004以来，微处理器的性能和集成度几乎每两年就提高一倍，价格却大幅度下 降。在随后30多年的时间里，微型计算机经历了 4位机、8位机、16位机、32位机几个大的发 展阶段，目前64位机也已经普遍使用。随着半导体集成电路技术的发展，微型计算机的运行速 度越来越快，可靠性大大提高，体积越来越小，功能越来越齐全，成本却越来越低，使微型计 算机的应用越来越广泛。微型计算机的出现，在科学技术上引起了一场深刻的变革。现在正在 研究和开发第五代计算机（人工智能计算机）和第六代计算机（生物计算机)，它们不依靠程序 工作，而依靠人工智能工作。

计算机控制是自动控制理论与计算机技术相结合而产生的一门新兴学科，计算机控制技术 是随着计算机技术的发展而发展起来的。自动控制技术在许多工业领域获得了广泛的应用，但 是由于生产工艺日益复杂，控制品质的要求越来越高，简单的控制理论有时无法解决复杂的控 制问题。计算机的应用促进了控制理论的发展，先进的控制理论和计算机技术相结合，推动计 算机控制技术不断发展。微型计算机不仅可应用于科学计算、信息处理、办公娱乐、民用产品、

家用电器等领域，而且在仪器、仪表及过程控制领域也得到了广泛的应用。仪器、仪表在测量 过程自动化、测量结果的数据处理及系统控制等方面有着重要的应用，在许多高精度、高性能、

多功能的测量仪器中都采用了微处理器技术。过程控制也是微型计算机应用最多的一个方面，

控制对象已从单一的工艺流程扩展到整个企业的生产、管理及现场各种设备的控制中，采用分 布式计算机控制，实现了企业的控制和管理一体化，大大提高了企业的自动化程度。

近年来，随着计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、网络与通信技术、微电子 技术、显示技术、现场总线智能仪表、软件技术及自控理论的高速发展，计算机控制的技术水 平大大提高，计算机控制系统的应用水平突飞猛进。利用计算机控制技术，人们可以对现场的 各种设备进行远程监控，完成常规控制技术无法完成的任务，微型计算机控制己经被广泛地应 用于军事、农业、工业、航空航天及日常生活的各个领域。大到载人航天飞船的研制，小到日 用的家用电器，甚至计算机控制的家庭机器人，到处可见计算机控制系统的应用。

4) 计算机网络通信技术

从人类发明电报电话之日起，通信技术就已经产生。现代通信技术主要研究信号的产生、

信息的传输、交换和处理，以及在计算机通信、数字通信、卫星通信、光纤通信、计算机网络、

个人通信、平流层通信、多媒体技术、互联网技术、数字程控交换等方面的理论和工程应用问 题。通信技术是以现代的声、光、电技术为硬件基础，辅以相应软件来达到信息交流目的。通 信技术随着现代科学技术水平的不断提高而得到迅速发展。

通信技术是一种以数据通信形式出现，在计算机与计算机之间或计算机与终端设备之间进 行信息传递的方式。计算机网络就是将分散的计算机通过通信线路有机地结合在一起，达到相 互通信，实现软/硬件资源共享的综合系统。网络是计算机的一个群体，是由多台计算机组成的，这些计算机是通过一定的通信介质互连在一起的，使得彼此间能够交换信息。

计算机网络控制的功能主要体现在三个方面：信息交换、资源共享、分布式处理。

(1) 信息交换

信息交换是计算机网络最基本的功能，主要完成计算机网络中各个节点之间的系统通信。 用户可以通过网络传送电子邮件、发布指令、进行监测、电子贸易、远程控制、聊天等。

(2) 资源共享

所谓的资源是指构成系统的所有要素，包括软/硬件资源，如计算处理能力、大容量磁盘、 高速打印机、绘图仪、通信线路、数据库、文件和其他计算机上的有关信息。由于受经济和其 他因素的制约，这些资源并非（也不可能）所有用户都能独立拥有，所以网络上的计算机不仅 可以使用自身的资源，也可以共享网络上的资源。因而增强了网络上计算机的处理能力，提高 了计算机软/硬件的利用率。

(3) 分布式处理

一项复杂的任务可以划分成许多部分，由网络内各计算机分别协作并行完成有关部分，使 整个系统的性能大为增强。

通信与计算机控制技术的融合，将电气控制技术发展到一个新的阶段。20世纪90年代走向 实用化的现场总线控制系统正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。现场 总线控制系统的出现，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。多协议、多 层次、专业网络、行业总线将是未来十年现场总线发展的方向，应根据应用的场合不同来进行 选择，同时支持多种协议的网关芯片也将随着装备技术和芯片技术的发展而日益成熟。

一般过程控制中可能选PROFIBUS等，PROFIBUS可以说是一个很好的块通信协议，相当 严谨；具有诊断、参数化、配置、数据交换能力，且在可靠性方面相当完备。PROFIBUS的最 大优点是状态机与通用处理器之间的多缓存结构，使通信的实时性、一致性和可靠性得到了充 分的保证。

就目前来说，控制功能的应用仍然是通过有线电缆来完成的。现今的无线技术是对有线技 术强有力的补充。在工业过程控制领域，安全、有效的工厂操作总是放在第一位的。无线技术 更为可靠、连续、兼容的操作方式将给整个工业界以信心，越来越多的无线控制设备将应用于 工厂中。