中国古代自动装置(卷名：自动控制与系统工程)
automatic apparatuses in ancient China
中国古代能工巧匠发明许多原始自动装置，以满足生产、生活和作战的需要。指南车、铜壶滴漏、浮子式阀门、记里鼓车、漏水转浑天仪、候风地动仪、水运仪象台等就是其中比较著名的几种。
指南车 指南车是中国古代用来指示方向的一种机械装置。关于指南车的发明有许多传说和记载：据《宋史·舆服志》记载，公元前26世纪中国黄帝时代就发明指南车。公元前11世纪周成王时已应用指南车。公元前3 世纪西汉时代对指南车作了改进。东汉的张衡（78～139）、三国时代魏国的马钧、南齐的祖冲之都曾制造过指南车。据王振铎考证，指南车是三国时期魏明帝青龙三年 (235)由马钧创造的。指南车是一种马拉的双轮独辕车，车箱上立一伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时，车辕前端就顺此方向移动，而后端则向相反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的转动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响。车向正南方向行驶时,车轮和木人下的大齿轮是分离的,木人指向不变。因此，无论车转向何方，都能使木人的手臂始终指向南方。指南车的齿轮系虽然非常简单,但它能够自动离合,在技巧上优于记里鼓车的齿轮系。从自动控制原理来看，指南车是利用扰动补偿原理的开环定向自动调节系统。被控制量是木人的指向。车子转弯时，车轮带动齿轮系使木人沿着与车子转动方向相反的方向转动，恰好补偿车子的转角。它应用了绝对不变性原理和双通道结构。图1为中国历史博物馆复原的指南车模型,图2为指南车的方向调节系统框图。
铜壶滴漏 即漏壶，中国古代的自动计时装置，又称刻漏或漏刻。漏壶的最早记载见于《周礼》。这种计时装置最初只有两个壶,由上壶滴水到下面的受水壶,液面使浮箭升起以示刻度（即时间）(图3之右)。这里浮箭可看作是一种自动检测装置。保持上壶的水位恒定，则是自动调节的问题。这个问题后来是用互相衔接的多级（3～5级）水壶来解决的。宋朝王普所著《官术刻漏图》(1135)曾描述莲华漏，后该书失传。根据宋朝杨军的《六经图》(1155)转述。莲华漏(图3之左)由4个壶组成。平水壶向平水小壶供水，平水小壶上有溢水口，可使多余的水泄入减水桶以保持水面恒定。计时精度比传说中的阿拉伯人用浮子式阀门调节水位的系统为高。这种计时装置是一种开环自动调节系统，其原理相当于有非线性限制器的多级阻容滤波装置。
浮子式阀门 在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断阀。当受水壶的水位升至满刻度时，浮子式阀门就会自动阻塞上级平水小壶的出水小孔，切断水滴。这种系统属于闭环自动调节系统。浮子式阀门也用于其他场合。宋朝仇士良著的《岭外代答》(1178)曾记载中国南方和西南方部落民族村民一种习俗,就是常用长0.6米以上的饮酒管饮酒。在这种竹制饮酒管中装有一条银制小鱼，作为可动的“关捩”（即阀门）。饮酒时吸得太快或太慢,小孔就会被小鱼自动堵塞（图4）。这种浮子式阀门可用来保持均匀的饮酒速度，实际上是一个流量自动调节器。
记里鼓车 中国古代能自报行车里程的车制。据王振铎考证，记里鼓车是东汉以后出现的，由汉代鼓车改装而成。车中装设具有减速作用的传动齿轮和凸轮杠杆等机构。车行一里，车上木人受凸轮牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次,以表示行车的里程。图5为中国历史博物馆根据史书记载复原的记里鼓车模型。
漏水转浑天仪 公元 2世纪中国东汉的天文学家张衡创制的一种天文表演仪器。它是一种水运浑象，和现代的天球仪相似,可以用来实现天体运行的自动仿真。浑象是在一个直径4尺多(约1.5米)的铜球上刻有28宿、中外星官、黄赤道、南北极、24节气、恒显圈、恒隐圈等。漏水转浑天仪就是把浑象与漏壶结合起来，以漏壶滴水控制浑象，使它与天球同步转动，用来表演星空的周日视运动，如恒星的出没和中天等。
候风地动仪 公元 132年东汉的张衡发明的一种观察地震的自动检测仪器(图6)。它的工作原理不仅涉及反映信号的方向问题，而且还包含着“小偏差内稳定，大偏差内不稳定”等自动控制原理。
水运仪象台 北宋哲宗元祐三年(1088)苏颂、韩公廉等人制成的水力天文装置。高约12米,宽约7米。它既能演示或观测天象，又能计时或报时。水运仪象台利用铜壶滴漏的恒定水流作动力来推动枢轮,使它每天转400周。枢轮又带动浑象和浑仪两个齿轮系(图7)。由顶部的杠杆装置（即天衡）控制枢轮作恒速转动（图8）。天衡使受水壶达到恒定水位后便自动脱离受水位置而下降，起自动调节器的作用。枢轮转动时，受水壶中的水陆续泄入退水壶，使合成的驱动转矩减小（相当于一个负反馈作用），枢轮被天关挡住，下一个空受水壶就接受水流。因此，天衡还起着类似钟表中擒纵器的作用。而整个枢轮转速恒定系统则是一个采用内部负反馈并进行自振荡的系统。水运仪象台装有自动机构，在每个时辰初、正和每刻相应地有木人摇铃、打钟和击鼓。
参考书目
刘仙洲著：《中国机械工程发明史》（第一编），科学出版社，北京，1962。
J.Needham et al.,Science and Civilisation in China, Cambridge Univ. Press, London, 1959.