微機型自動裝置的發展

⑴ 微機的發展歷史

計算機的歷史

現代計算機的誕生和發展 現代計算機問世之前，計算機的發展經歷了機械式計算機、機電式計算機和萌芽期的電子計算機三個階段。

早在17世紀，歐洲一批數學家就已開始設計和製造以數字形式進行基本運算的數字計算機。

1642年，法國數學家帕斯卡採用與鍾表類似的齒輪傳動裝置，製成了最早的十進制加法器。

1678年，德國數學家萊布尼茲製成的計算機，進一步解決了十進制數的乘、除運算。

英國數學家巴貝奇在1822年製作差分機模型時提出一個設想，每次完成一次算術運算將發展為自動完成某個特定的完整運算過程。

1884年，巴貝奇設計了一種程序控制的通用分析機。

這台分析機雖然已經描繪出有關程序控制方式計算機的雛型，但限於當時的技術條件而未能實現。

巴貝奇的設想提出以後的一百多年期間，電磁學、電工學、電子學不斷取得重大進展，在元件、器件方面接連發明了真空二極體和真空三極體；在系統技術方面，相繼發明了無線電報、電視和雷達……。

所有這些成就為現代計算機的發展准備了技術和物質條件。

與此同時，數學、物理也相應地蓬勃發展。

到了20世紀30年代，物理學的各個領域經歷著定量化的階段，描述各種物理過程的數學方程，其中有的用經典的分析方法已根難解決。

於是，數值分析受到了重視，研究出各種數值積分，數值微分，以及微分方程數值解法，把計算過程歸結為巨量的基本運算，從而奠定了現代計算機的數值演算法基礎。

社會上對先進計算工具多方面迫切的需要，是促使現代計算機誕生的根本動力。

20世紀以後，各個科學領域和技術部門的計算困難堆積如山，已經阻礙了學科的繼續發展。

特別是第二次世界大戰爆發前後，軍事科學技術對高速計算工具的需要尤為迫切。

在此期間，德國、美國、英國部在進行計算機的開拓工作，幾乎同時開始了機電式計算機和電子計算機的研究。

德國的朱賽最先採用電氣元件製造計算機。

他在1941年製成的全自動繼電器計算機Z-3，已具備浮點記數、二進制運算、數字存儲地址的指令形式等現代計算機的特徵。

在美國，1940～1947年期間也相繼製成了繼電器計算機MARK-1、MARK-2、Model-1、Model-5等。

不過，繼電器的開關速度大約為百分之一秒，使計算機的運算速度受到很大限制。

電子計算機的開拓過程，經歷亮扒了從製作部件到整機從專用機到通用機、從「外加式程序」到「存儲程序」的演變。

1938年，美籍保加利亞學者阿塔納索夫首先製成了電子計算機的運算部件。

1943年，英國外交部通信處製成了「巨人」電子計算機。

這是一種專用的密碼分析機，在第二次世界大戰中得到了應用。

1946年2月美國賓夕法尼亞大學莫爾學院製成的大型電子數字積分計算機(ENIAC)，最初也專門用於火炮彈道計算，後經多次改進而成為能進行各種科學計算的通用計算機。

這 *** 全採用電子線路執行算術運算、邏輯運算和信息存儲的計算機，運算速度比繼電器計算機快1000倍。

這就是人們常常提到的世界上第一台電子計算機。

但是，這喚行種計算機的程序仍然是外加式的，存儲容量也太小，尚未完全具敬鏈昌備現代計算機的主要特徵。

新的重大突破是由數學家馮·諾伊曼領導的設計小組完成的。

1945年3月他們發表了一個全新的存儲程序式通用電子計算機方案—電子離散變數自動計算機(EDVAC)。

隨後於1946年6月，馮·諾伊曼等人提出了更為完善的設計報告《電子計算機裝置邏輯結構初探》。

同年7～8月間，他們又在莫爾學院為美國和英國二十多個機構的專家講授了專門課程《電子計算機設計的理論和技術》，推動了存儲程序式計算機的設計與製造。

1949年，英國劍橋大學數學實驗室率先製成電子離散時序自動計算機(EDSAC)；美國則於1950年製成了東部標准自動計算機(SFAC)等。

至此，電子計算機發展的萌芽時期遂告結束，開始了現代計算機的發展時期。

在創制數字計算機的同時，還研製了另一類重要的計算工具——模擬計算機。

物理學家在總結自然規律時，常用數學方程描述某一過程；相反，解數學方程的過程，也有可能採用物理過程模擬方法，對數發明以後，1620年製成的計算尺，己把乘法、除法化為加法、減法進行計算。

麥克斯韋巧妙地把積分(面積)的計算轉變為長度的測量，於1855年製成了積分儀。

19世紀數學物理的另一項重大成就——傅里葉分析，對模擬機的發展起到了直接的推動作用。

19世紀後期和20世紀前期，相繼製成了多種計算傅里葉系數的分析機和解微分方程的微分分析機等。

但是當試圖推廣微分分析機解偏微分方程和用模擬機解決一般科學計算問題時，人們逐漸認識到模擬機在通用性和精確度等方面的局限性，並將主要精力轉向了數字計算機。

電子數字計算機問世以後，模擬計算機仍然繼續有所發展，並且與數字計算機相結合而產生了混合式計算機。

模擬機和混合機已發展成為現代計算機的特殊品種，即用在特定領域的高效信息處理工具或模擬工具。

20世紀中期以來，計算機一直處於高速度發展時期，計算機由僅包含硬體發展到包含硬體、軟體和固件三類子系統的計算機系統。

計算機系統的性能—價格比，平均每10年提高兩個數量級。

計算機種類也一再分化，發展成微型計算機、小型計算機、通用計算機(包括巨型、大型和中型計算機)，以及各種專用機(如各種控制計算機、模擬—數字混合計算機)等。

計算機器件從電子管到晶體管，再從分立元件到集成電路以至微處理器，促使計算機的發展出現了三次飛躍。

在電子管計算機時期(1946～1959)，計算機主要用於科學計算。

主存儲器是決定計算機技術面貌的主要因素。

當時，主存儲器有水銀延遲線存儲器、陰極射線示波管靜電存儲器、磁鼓和磁心存儲器等類型，通常按此對計算機進行分類。

到了晶體管計算機時期(1959～1964)，主存儲器均採用磁心存儲器，磁鼓和磁碟開始用作主要的輔助存儲器。

不僅科學計算用計算機繼續發展，而且中、小型計算機，特別是廉價的小型數據處理用計算機開始大量生產。

1964年，在集成電路計算機發展的同時，計算機也進入了產品系列化的發展時期。

半導體存儲器逐步取代了磁心存儲器的主存儲器地位，磁碟成了不可缺少的輔助存儲器，並且開始普遍採用虛擬存儲技術。

隨著各種半導體只讀存儲器和可改寫的只讀存儲器的迅速發展，以及微程序技術的發展和應用，計算機系統中開始出現固件子系統。

20世紀70年代以後，計算機用集成電路的集成度迅速從中小規模發展到大規模、超大規模的水平，微處理器和微型計算機應運而生，各類計算機的性能迅速提高。

隨著字長4位、8位、16位、32位和64位的微型計算機相繼問世和廣泛應用，對小型計算機、通用計算機和專用計算機的需求量也相應增長了。

微型計算機在社會上大量應用後，一座辦公樓、一所學校、一個倉庫常常擁有數十台以至數百台計算機。

實現它們互連的局部網隨即興起，進一步推動了計算機應用系統從集中式系統向分布式系統的發展。

在電子管計算機時期，一些計算機配置了匯編語言和子程序庫，科學計算用的高級語言FORTRAN初露頭角。

在晶體管計算機階段，事務處理的COBOL語言、科學計算機用的ALGOL語言，和符號處理用的LISP等高級語言開始進入實用階段。

操作系統初步成型，使計算機的使用方式由手工操作改變為自動作業管理。

進入集成電路計算機發展時期以後，在計算機中形成了相當規模的軟體子系統，高級語言種類進一步增加，操作系統日趨完善，具備批量處理、分時處理、實時處理等多種功能。

資料庫管理系統、通信處理程序、網路軟體等也不斷增添到軟體子系統中。

軟體子系統的功能不斷增強，明顯地改變了計算機的使用屬性，使用效率顯著提高。

在現代計算機中，外圍設備的價值一般已超過計算機硬體子系統的一半以上，其技術水平在很大程度上決定著計算機的技術面貌。

外圍設備技術的綜合性很強，既依賴於電子學、機械學、光學、磁學等多門學科知識的綜合，又取決於精密機械工藝、電氣和電子加工工藝以及計量的技術和工藝水平等。

外圍設備包括輔助存儲器和輸入輸出設備兩大類。

輔助存儲器包括磁碟、磁鼓、磁帶、激光存儲器、海量存儲器和縮微存儲器等；輸入輸出設備又分為輸入、輸出、轉換、、模式信息處理設備和終端設備。

在這些品種繁多的設備中，對計算機技術面貌影響最大的是磁碟、終端設備、模式信息處理設備和轉換設備等。

新一代計算機是把信息採集存儲處理、通信和人工智慧結合在一起的智能計算機系統。

它不僅能進行一般信息處理，而且能面向知識處理，具有形式化推理、聯想、學習和解釋的能力，將能幫助人類開拓未知的領域和獲得新的知識。

計算技術在中國的發展 在人類文明發展的歷史上中國曾經在早期計算工具的發明創造方面寫過光輝的一頁。

遠在商代，中國就創造了十進制記數方法，領先於世界千餘年。

到了周代，發明了當時最先進的計算工具——算籌。

這是一種用竹、木或骨製成的顏色不同的小棍。

計算每一個數學問題時，通常編出一套歌訣形式的演算法，一邊計算，一邊不斷地重新布棍。

中國古代數學家祖沖之，就是用算籌計算出圓周率在3.1415926和3.1415927之間。

這一結果比西方早一千年。

珠算盤是中國的又一獨創，也是計算工具發展史上的第一項重大發明。

這種輕巧靈活、攜帶方便、與人民生活關系密切的計算工具，最初大約出現於漢朝，到元朝時漸趨成熟。

珠算盤不僅對中國經濟的發展起過有益的作用，而且傳到日本、朝鮮、東南亞等地區，經受了歷史的考驗，至今仍在使用。

中國發明創造指南車、水運渾象儀、記里鼓車、提花機等，不僅對自動控制機械的發展有卓越的貢獻，而且對計算工具的演進產生了直接或間接的影響。

例如，張衡製作的水運渾象儀，可以自動地與地球運轉同步，後經唐、宋兩代的改進，遂成為世界上最早的天文鍾。

記里鼓車則是世界上最早的自動計數裝置。

提花機原理劉計算機程序控制的發展有過間接的影響。

中國古代用陽、陰兩爻構成八卦，也對計算技術的發展有過直接的影響。

萊布尼茲寫過研究八卦的論文，系統地提出了二進制算術運演算法則。

他認為，世界上最早的二進製表示法就是中國的八卦。

經過漫長的沉寂，新中國成立後，中國計算技術邁入了新的發展時期，先後建立了研究機構，在高等院校建立了計算技術與裝置專業和計算數學專業，並且著手創建中國計算機製造業。

1958年和1959年，中國先後製成第一台小型和大型電子管計算機。

60年代中期，中國研製成功一批晶體管計算機，並配製了ALGOL等語言的編譯程序和其他系統軟體。

60年代後期，中國開始研究集成電路計算機。

70年代，中國已批量生產小型集成電路計算機。

80年代以後，中國開始重點研製微型計算機系統並推廣應用；在大型計算機、特別是巨型計算機技術方面也取得了重要進展；建立了計算機服務業，逐步健全了計算機產業結構。

在計算機科學與技術的研究方面，中國在有限元計算方法、數學定理的機器證明、漢字信息處理、計算機系統結構和軟體等方面都有所建樹。

在計算機應用方面，中國在科學計算與工程設計領域取得了顯著成就。

在有關經營管理和過程式控制制等方面，計算機應用研究和實踐也日益活躍。

⑵ 數控系統與數控機床技術發展趨勢是什麼

一、數控系統發展趨勢
從1952年美國麻省理工學院研製出首台試驗性數控系統，到現在已走過了46年歷程。數控系統由當初的電子管式起步，經歷了以下幾個發展階段：
分立式晶體管式--小規模集成電路式--大規模集成電路式--小型計算機式--超大規模集成電路--微機式的數控系統。到80年代，總體發展趨勢是：數控裝置由NC向CNC發展；廣泛採用32位CPU組成多微處理器系統；提高系統的集成度，縮小體積，採用模塊化結構，便於裁剪、擴展和功能升級，滿足不同類型數控機床的需要；驅動裝置向交流、數字化方向發展；CNC裝置向人工智慧化方向發展；採用新型的自動編程系統；增強通信功能；數控系統可靠性不斷提高。總之，數控機床技術不斷發展，功能越來越完善，使用越來越方便，可靠性越來越高，性能價格比也越來越高。到1990年，全世界數控系統專業生產廠家年產數控系統約13萬台套。國外數控系統技術發展的總體發展趨勢是：
1、新一代數控系統採用開放式體系結構
進入90年代以來，由於計算機技術的飛速發展，推動數控機床技術更快的更新換代。世界上許多數控系統生產廠家利用PC機豐富的軟硬體資源開發開放式體系結構的新一代數控系統。開放式體系結構使數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，並向智能化、網路化方向大大發展。近幾年許多國家紛紛研究開發這種系統，如美國科學製造中心（NCMS）與*共同領導的「下一代工作站/機床控制器體系結構」NGC，歐共體的「自動化系統中開放式體系結構」OSACA，日本的OSEC計劃等。開發研究成果已得到應用，如Cincinnati-Milacron公司從1995年開始在其生產的加工中心、數控銑床、數控車床等產品中採用了開放式體系結構的A2100系統。開放式體系結構可以大量採用通用微機的先進技術，如多媒體技術，實現聲控自動編程、圖形掃描自動編程等。數控系統繼續向高集成度方向發展，每個晶元上可以集成更多個晶體管，使系統體積更小，更加小型化、微型化。可靠性大大提高。利用多CPU的優勢，實現故障自動排除；增強通信功能，提高進線、聯網能力。開放式體系結構的新一代數控系統，其硬體、軟體和匯流排規范都是對外開放的，由於有充足的軟、硬體資源可供利用，不僅使數控系統製造商和用戶進行的系統集成得到有力的支持，而且也為用戶的二次開發帶來極大方便，促進了數控系統多檔次、多品種的開發和廣泛應用，既可通過升檔或剪裁構成各種檔次的數控系統，又可通過擴展構成不同類型數控機床的數控系統，開發生產周期大大縮短。這種數控系統可隨CPU升級而升級，結構上不必變動。
2、新一代數控系統控制性能大大提高
數控系統在控制性能上向智能化發展。隨著人工智慧在計算機領域的滲透和發展，數控系統引入了自適應控制、模糊系統和神經網路的控制機理，不但具有自動編程、前饋控制、模糊控制、學習控制、自適應控制、工藝參數自動生成、三維刀具補償、運動參數動態補償等功能，而且人機界面極為友好，並具有故障診斷專家系統使自診斷和故障監控功能更趨完善。伺服系統智能化的主軸交流驅動和智能化進給伺服裝置，能自動識別負載並自動優化調整參數。直線電機驅動系統已實用化。
總之，新一代數控系統技術水平大大提高，促進了數控機床性能向高精度、高速度、高柔性化方向發展，使柔性自動化加工技術水平不斷提高。
二、數控機床發展趨勢
為了滿足市場和科學技術發展的需要，為了達到現代製造技術對數控技術提出的更高的要求，當前，世界數控技術及其裝備發展趨勢主要體現在以下幾個方面：
1、高速、高效、高精度、高可靠性
要提高加工效率，首先必須提高切削和進給速度，同時，還要縮短加工時間；要確保加工質量，必須提高機床部件運動軌跡的精度，而可靠性則是上述目標的基本保證。為此，必須要有高性能的數控裝置作保證。
（1）高速、高效
機床向高速化方向發展，可充分發揮現代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質量和精度。超高速加工技術對製造業實現高效、優質、低成本生產有廣泛的適用性。
新一代數控機床（含加工中心）只有通過高速化大幅度縮短切削工時才可能進一步提高其生產率。超高速加工特別是超高速銑削與新一代高速數控機床特別是高速加工中心的開發應用緊密相關。90年代以來，歐、美、日各國爭相開發應用新一代高速數控機床，加快機床高速化發展步伐。高速主軸單元（電主軸，轉速15000-100000r/min）、高速且高加/減速度的進給運動部件（快移速度60~120m/min，切削進給速度高達60m/min）、高性能數控和伺服系統以及數控工具系統都出現了新的突破，達到了新的技術水平。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具，大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅動進給部件以及高性能控制系統（含監控系統）和防護裝置等一系列技術領域中關鍵技術的解決，應不失時機地開發應用新一代高速數控機床。
依靠快速、准確的數字量傳遞技術對高性能的機床執行部件進行高精密度、高響應速度的實時處理，由於採用了新型刀具，車削和銑削的切削速度已達到5000米~8000米/分以上；主軸轉數在30000轉/分（有的高達10萬轉/分）以上；工作台的移動速度：（進給速度），在解析度為1微米時，在100米/分（有的到200米/分）以上，在解析度為0.1微米時，在24米/分以上；自動換刀速度在1秒以內；小線段插補進給速度達到12米/分。根據高效率、大批量生產需求和電子驅動技術的飛速發展，高速直線電機的推廣應用，開發出一批高速、高效的高速響應的數控機床以滿足汽車、農機等行業的需求。還由於新產品更新換代周期加快，模具、航空、軍事等工業的加工零件不但復雜而且品種增多。
（2）高精度
從精密加工發展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工業強國致力發展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級（<10nm），其應用范圍日趨廣泛。超精密加工主要包括超精密切削（車、銑）、超精密磨削、超精密研磨拋光以及超精密特種加工（三束加工及微細電火花加工、微細電解加工和各種復合加工等）。隨著現代科學技術的發展，對超精密加工技術不斷提出了新的要求。新材料及新零件的出現，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工藝，發展新型超精密加工機床，完善現代超精密加工技術，以適應現代科技的發展。
當前，機械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，達到5微米；精密加工精度提高了兩個數量級，超精密加工精度進入納米級（0.001微米），主軸回轉精度要求達到0.01~0.05微米，加工圓度為0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。
精密化是為了適應高新技術發展的需要，也是為了提高普通機電產品的性能、質量和可靠性，減少其裝配時的工作量從而提高裝配效率的需要。隨著高新技術的發展和對機電產品性能與質量要求的提高，機床用戶對機床加工精度的要求也越來越高。為了滿足用戶的需要，近10多年來，普通級數控機床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密級加工中心的加工精度則從±3~5μm，提高到±1~1.5μm。
（3）高可靠性
是指數控系統的可靠性要高於被控設備的可靠性在一個數量級以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠，因為是商品，受性能價格比的約束。對於每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時內連續正常工作，無故障率P（t）＝99%以上的話，則數控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大於3000小時。MTBF大於3000小時，對於由不同數量的數控機床構成的無人化工廠差別就大多了，我們只對一台數控機床而言，如主機與數控系統的失效率之比為10：1的話（數控的可靠比主機高一個數量級）。此時數控系統的MTBF就要大於33333.3小時，而其中的數控裝置、主軸及驅動等的MTBF就必須大於10萬小時。
當前國外數控裝置的MTBF值已達6000小時以上，驅動裝置達30000小時以上。
2、模塊化、智能化、柔性化和集成化
（1）模塊化、專門化與個性化
機床結構模塊化，數控功能專門化，機床性能價格比顯著提高並加快優化。為了適應數控機床多品種、小批量的特點，機床結構模塊化，數控功能專門化，機床性能價格比顯著提高並加快優化。個性化是近幾年來特別明顯的發展趨勢。
（2）智能化
智能化的內容包括在數控系統中的各個方面：
--為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如自適應控制，工藝參數自動生成；
--為提高驅動性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；
--簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機界面等；
--智能診斷、智能監控方面的內容，方便系統的診斷及維修等。
（3）柔性化和集成化
數控機床向柔性自動化系統發展的趨勢是：從點（數控單機、加工中心和數控復合加工機床）、線（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段車間獨立製造島、FA）、體（CIMS、分布式網路集成製造系統）的方向發展，另一方面向注重應用性和經濟性方向發展。柔性自動化技術是製造業適應動態市場需求及產品迅速更新的主要手段，是各國製造業發展的主流趨勢，是先進製造領域的基礎技術。其重點是以提高系統的可靠性、實用化為前提，以易於聯網和集成為目標；注重加強單元技術的開拓、完善；CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發展；數控機床及其構成柔性製造系統能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯結，向信息集成方向發展；網路系統向開放、集成和智能化方向發展。

⑶ 電力系統繼電保護的發展歷史

電力系統繼電保護的發展經歷了機電型、整流型、晶體管型和集成電路型幾個階段微機繼電保護的發展史微機繼電保護指的是以數字式計算機（包括微型機）為基礎而構成的繼電保護。它起源於20世紀60年代中後期，是在英國、澳大利亞和美國。
微機繼電保護的發展史
微機繼電保護指的是以數字式計算機（包括微型機）為基礎而構成的繼電保護。是在英國60年代中期，有人提出用小型計算機實現繼電保護的設想，但是由於當時計算機的價格昂貴，同時也無法滿足高速繼電保護的技術要求，因此沒有在保護方面取得實際應用，但由此開始了對計算機繼電保護理論計算方法和程序結構的大量研究，為後來的繼電保護發展奠定了理論基礎。計算機技術在70年代初期和中期出現了重大突破，大規模集成電路技術的飛速發展，使得微型處理器和微型計算機進入了實用階段。價格的大幅度下降，可靠性、運算速度的大幅度提高，促使計算機繼電保護的研究出現了高潮。在70年代後期，出現了比較完善的微機保護樣機，並投入到電力系統中試運行。80年代，微機保護在硬體結構和軟體技術方面日趨成熟，並已在一些國家推廣應用。90年代，電力系統繼電保護技術發展到了微機保護時代，它是繼電保護技術發展歷史過程中的第四代。
我國的微機保護研究起步於20世紀70年代末期、80年代初期，盡管起步晚，但是由於我國繼電保護工作者的努力，進展卻很快。經過10年左右的奮斗，到了80年代末，計算機繼電保護，特別是輸電線路微機保護已達到了大量實用的程度。我國對計算機繼電保護的研究過程中，高等院校和科研院所起著先導的作用。從70年代開始，華中科技大學、東南大學、華北電力學院、西安交通大學、國電南京自動化研究院都相繼研製了不同原理、不同型式的微機保護裝置。1984年原華北電力學院研製的輸電線路微機保護裝置首先通過鑒定，並在系統中獲得應用，揭開了我國繼電保護發展史上的新一頁，為微機保護的推廣開辟了道路。在主設備保護方面，東南大學和華中理工大學研製的發電機失磁保護、發電機保護和發電機－變壓器組保護也相繼於1989年、1994年通過鑒定，投入運行。南京電力自動化研究院研製的微機線路保護裝置也於1991年通過鑒定。天津大學與南京電力自動化設備廠合作研製的微機相電壓補償式方向高頻保護，西安交通大學與許昌繼電器廠合作研製的正序故障分量方向高頻保護也相繼於1993年、1996年通過鑒定。至此，不同原理、不同機型的微機線路和主設備保護各具特色，為電力系統提供了一批新一代性能優良、功能齊全、工作可靠的繼電保護裝置。因此到了90年代，我國繼電保護進入了微機時代。隨著微機保護裝置的研究，在微機保護軟體、演算法等方面也取得了很多理論成果，並且應用於實際之中[1～3]。