科普-中华学生百科全书-第43章
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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、通信技术等）和各种自动化机器设备来有效地处理和运用汇集于
办公室的各类信息，提高办公室效率。
众所周积，作为一个行政或事务机构，无论机关团体、学校或工矿企事
业单位，都必须设置办公室，它是管理决策者、专业人员和文秘工作者从事
各类信息处理的场所，是管理人员和决策者的天地，无数的信息在这里汇总，
千万条决策从这里发出，它维系着各项工作的成败和千百万人的命运。如同
我们在本章第 1 节中介绍过的，工厂自动化的对象是工厂，输入的是原材料
和动力，经过机械加工和装配，输出的是工业产品。而办公室自动化的对象
是办公室，输入的是来自四面八方的数据和信息，经办公人员在各种现代办
公设备上分析整理后，输出的是经营管理决策或供上一级分析、判断、决策
的依据。
为了完成办公室所必须承担的作业事务（包括文件的草拟和编制、文件
的保管和检索、数据统计、人员联络、会议组织等）和功能事务（包括信息
加工和生成、机关管理、计划实施管理和检查等）两项最基本的工作，办公
室自动化设备应包括文字处理机、口授打印机、传真机、复印机、缩微存储
设备、电子会议系统、电子邮政、文件自动阅读机和计算机翻译系统等组成
部分。
我国的办公室自动化起步较晚，但潜在的发展势头已绰约可见。国家计
委、卫生部、铁道部、经贸部、民航局等有关部门和首都钢铁公司等大型企
业都先后建成了一批计
