中國古代自動裝置

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　　指南車 　指南車是中國古代用來指示方向的一種機械裝置。關於指南車的發明有許多傳說和記載：據《宋史·輿服志》記載，公元前26世紀中國黃帝時代就發明指南車。公元前11世紀周成王時已應用指南車。公元前3 世紀西漢時代對指南車作了改進。東漢的張衡（78～139）、三國時代魏國的馬鈞、南齊的祖沖之都曾製造過指南車。據王振鐸考證，指南車是三國時期魏明帝青龍三年 (235)由馬鈞創造的。指南車是一種馬拉的雙輪獨轅車，車箱上立一伸臂的木人。車箱內裝有能自動離合的齒輪系。當車子轉彎偏離正南方向時，車轅前端就順此方向移動，而後端則向相反方向移動，並將傳動齒輪放落，使車輪的轉動帶動木人下的大齒輪向相反方向轉動，恰好抵消車子轉彎產生的影響。車向正南方向行駛時,車輪和木人下的大齒輪是分離的,木人指向不變。因此，無論車轉向何方，都能使木人的手臂始終指向南方。指南車的齒輪系雖然非常簡單,但它能夠自動離合,在技巧上優於記里鼓車的齒輪系。從自動控制原理來看，指南車是利用擾動補償原理的開環定向自動調節系統。被控制量是木人的指向。車子轉彎時，車輪帶動齒輪系使木人沿著與車子轉動方向相反的方向轉動，恰好補償車子的轉角。它應用了絕對不變性原理和雙通道結構。圖1為中國歷史博物館復原的指南車模型,圖2 為指南車的方向調節系統框圖。圖片：

　　銅壺滴漏 　即漏壺，中國古代的自動計時裝置，又稱刻漏或漏刻。漏壺的最早記載見於《周禮》。這種計時裝置最初只有兩個壺,由上壺滴水到下面的受水壺,液面使浮箭升起以示刻度（即時間）(圖3之右)。這裡浮箭可看作是一種自動檢測裝置。保持上壺的水位恆定，則是自動調節的問題。這個問題後來是用互相銜接的多級（3～5級）水壺來解決的。宋朝王普所著《官術刻漏圖》(1135)曾描述蓮華漏，後該書失傳。根據宋朝楊軍的《六經圖》(1155)轉述。蓮華漏(圖3 之左)由4個壺組成。平水壺向平水小壺供水，平水小壺上有溢水口，可使多餘的水泄入減水桶以保持水面恆定。計時精度比傳說中的阿拉伯人用浮子式閥門調節水位的系統為高。這種計時裝置是一種開環自動調節系統，其原理相當於有非線性限制器的多級阻容濾波裝置。圖片：

　　浮子式閥門 　在蓮華漏中還採用一個浮子式閥門作為自動切斷閥。當受水壺的水位升至滿刻度時，浮子式閥門就會自動阻塞上級平水小壺的出水小孔，切斷水滴。這種系統屬於閉環自動調節系統。浮子式閥門也用於其他場合。宋朝仇士良著的《嶺外代答》(1178)曾記載中國南方和西南方部落民族村民一種習俗,就是常用長0.6米以上的飲酒管飲酒。在這種竹製飲酒管中裝有一條銀制小魚，作為可動的「關捩」（即閥門）。飲酒時吸得太快或太慢,小孔就會被小魚自動堵塞（圖4）。這種浮子式閥門可用來保持均勻的飲酒速度，實際上是一個流量自動調節器。圖片：

　　記里鼓車 　中國古代能自報行車裡程的車制。據王振鐸考證，記里鼓車是東漢以後出現的，由漢代鼓車改裝而成。車中裝設具有減速作用的傳動齒輪和凸輪槓桿等機構。車行一里，車上木人受凸輪牽動，由繩索拉起木人右臂擊鼓一次,以表示行車的里程。圖5為中國歷史博物館根據史書記載復原的記里鼓車模型。圖片：

　候風地動儀 　公元 132年東漢的張衡發明的一種觀察地震的自動檢測儀器(圖6)。它的工作原理不僅涉及反映信號的方向問題，而且還包含著「小偏差內穩定，大偏差內不穩定」等自動控制原理。圖片：

　　水運儀象台 　北宋哲宗元祐三年(1088)蘇頌、韓公廉等人製成的水力天文裝置。高約12米,寬約7米。它既能演示或觀測天象，又能計時或報時。水運儀象台利用銅壺滴漏的恆定水流作動力來推動樞輪,使它每天轉400周。樞輪又帶動渾象和渾儀兩個齒輪系(圖7)。由頂部的槓桿裝置（即天衡）控制樞輪作恆速轉動（圖 8）。天衡使受水壺達到恆定水位後便自動脫離受水位置而下降，起自動調節器的作用。樞輪轉動時，受水壺中的水陸續泄入退水壺，使合成的驅動轉矩減小（相當於一個負反饋作用），樞輪被天關擋住，下一個空受水壺就接受水流。因此，天衡還起著類似鐘錶中擒縱器的作用。而整個樞輪轉速恆定系統則是一個採用內部負反饋並進行自振蕩的系統。水運儀象台裝有自動機構，在每個時辰初、正和每刻相應地有木人搖鈴、打鐘和擊鼓。圖片：

　漏水轉渾天儀 　公元 2世紀中國東漢的天文學家張衡創製的一種天文表演儀器。它是一種水運渾象，和現代的天球儀相似,可以用來實現天體運行的自動模擬。渾象是在一個直徑4尺多 (約1.5米)的銅球上刻有28宿、中外星官、黃赤道、南北極、24節氣、恆顯圈、恆隱圈等。漏水轉渾天儀就是把渾象與漏壺結合起來，以漏壺滴水控制渾象，使它與天球同步轉動，用來表演星空的周日視運動，如恆星的出沒和中天等。　　參考書目　劉仙洲著：《中國機械工程發明史》（第一編
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