2.3机器试验

在美国独立战争的枪声响彻全球的同一年，詹姆斯·瓦特（James Watt）的蒸汽机也首次在商业上露面。正当 1789年法国大革命举起了自由、平等、博爱旗帜时，英国却高举经济繁荣的旗帜，因为它的生产率跃升，贸易增长迅速。这就是被称为工业革命的时代，一个推动英国在世界经济与技术强国中确立先导地位的时代。

那些促使英国自诩为“世界工场”的人都是工程师的先驱，特别是在机械工程方面，他们给世界带来了机车和工业革命的其他标志物。瓦特有时被人誉为“机械工程之父”。由于瓦特兼备科学家、实用艺术家与企业家的品质，他的生涯展现了工程师的复杂性。他进行了科学实验，并试图掌握发动机运行的一些原理。除了蒸汽机，他还擅长设计各种各样的装置与仪器，其中有：飞球式调速器、气压指示计、冲程计数器、将气缸活塞的往复运动转变为发动机旋转运动的行星齿轮传动机构，等等。除发明和改进机器之外，他还组织合营公司来进行生产和销售，从而使各种机器有效地服务于社会，而且自己也富裕起来。 ³⁰

以瓦特为例来理解工程技术，我们需要回顾技术的两个方面，即组织上的与物质上的。组织性的技术，涉及协调人与用于生产的物质资源之间的关系，包括企业事务与营销管理。很多机械工程师，包括瓦特、费尔贝恩和斯蒂芬森，同时也是企业家。物质性的技术，在最广泛的意义上涉及“自然的”形态，包括计算器与信息处理算法。能够实现高水平构造的自然技术的四个基本平台是 材料、动力、工具 与 控制 。我们在前一章已涉及材料，而在这里将审视其他三个平台。蒸汽机所提供的动力，把生产从体力以及风力与水力的地理位置局限上解放了出来。蒸汽机本身不仅需要具备能用于其生产的合适器械，而且要有能操作它们的控制机制。动力、工具与控制首先在机械工程中发展起来，然而其他工程技术分支要待物质技术发展后才参与进去。

工程技术中的科学经验主义

土木工程和机械工程在其产品与生产过程的一般特征方面是有区别的。土木工程师建造的是建筑物，而机械工程师建造的却是机器。各种建筑物在功能与形态方面性质相当接近。虽然每一座吊桥因为其不同的需要与环境会产生不同的问题，但也拥有与其他吊桥共有的突出特征。因此，土木工程的建筑结构更易于推广普及和用数学表述，而结构分析是最先走向成熟的工程学。与此相反，机器却有着无数复杂的功能。它们的形态与操作，相对于它们的功能来说是多样化、专业化的，更难以普适化与理论化。人们相对迟些发现隐藏在各种类型的发动机之中的关于热或流体的一般原理，而且全凭受到来自工程实践的显著影响后才得以发现。机械工程技术一直倾向于更多地以经验为导向，尤其在相关的科学处于萌芽阶段时更是如此。自然科学并非与工程技术毫不相干，但它的贡献一般来说更多的是在系统推理与受控实验方面，而不是在特殊理论与信息片段上。这在瓦特的经历中得到了说明。

据说瓦特从约瑟夫·布莱克（Joseph Black）那里得到了潜热理论，并用它来发明蒸汽机的分离冷凝器。这纯属杜撰。事实是，瓦特在自己的实验中独立地发现了潜热的效应。注意，他的实验可不是传统工匠的那种小修小补，这点很重要。瓦特曾经当过一个大学实验室的仪器制作工，正是这段经历使他与传统工匠有很大差别。他写道：“虽然我对蒸汽机的改进并没有受到布莱克博士潜热理论的直接提示，但他十分乐意同我交流关于各种议题的知识、正确的推理方式，以及作为例证向我示范的各种实验，这些的确向我传达了有助于推动我的发明进展的很多东西。” ³¹

瓦特所强调的推理与实验，具有科学经验主义的特征，从而把工程师从工匠中分离出来。当校方要求瓦特安装一台用于课堂示范的模型时，他被引到了蒸汽机这一领域。在安装好这台小型发动机之后，瓦特摆弄着它，并注意到它很快便耗尽了蒸汽。他在琢磨大型的工业发动机为何能如此好地保留蒸汽。为了发现究竟是什么东西破坏了按比例的线性缩放，他剖析了这台发动机，逐个检验了它的各部分零件，并确认发生问题的原因是冷凝表面积不同。为了解决这个问题，他测量了蒸汽和冷凝水的体积与温度，发现了凝聚过程的潜热效应，决定寻找防止减损蒸汽机效率的途径，并提出了制造分离式冷凝器的新想法。这既不是盲目摸索，也不是随便摆弄，而是理性的探究与创造，具有科学经验主义的特征。

工程领域的科学经验主义的本质在斯米顿（John Smeaton）的实验中更为清晰地展现出来，对应于军用工程师，斯米顿是自称民用工程师的第一个英国人。他进行了很多实验，其中之一旨在确定各种类型水车的相对效率。如果说瓦特蒸汽机是一个革命性突破，那么斯米顿的水车可以作为进化性改革的例证，革命和改革对于技术进步同等重要。

一旦人们为了工业目的而驾驭水力，水车的尺寸与复杂程度也随之增加了。有两种类型的水车曾被人们广泛使用过。一种是 顶射式水 轮 （overshot wheel），水从顶部进来，注满悬挂在水轮周边的水桶，借助于重力的作用而转动水车。一种是 底射式水轮 （undershot wheel），让溪水从底部飞速冲击着水轮的叶桨，利用冲力来推动水车运行。有一种理论专门论证了底射式水轮的优越性。因为发现这一理论偏离了实践经验，1752年，斯米顿进行了一系列实验。他建造了一个直径为2英尺（约0.6米）的水轮模型，变换着水轮周边的水桶或叶片这两种装置。水轮模型上系着一个可变动的负载重物。提供水源的蓄水池是根据可控制的水头与流速设计的。因此，实验装置涉及四个相互关联的参量：负载、水头、流速与水轮外围装置。他变动其中一个参量的数值，保持其他三个参量不变，设定负载重量与水轮转动速度的乘积作为每次测定的水轮输出效率。他取得的实验数据推翻了原有理论上的结论，确定了最佳操作条件，还提出能使水轮的输出功率加倍的改进设计。

斯米顿的工作对于自然科学中称为 受控实验 的一般经验程序和工程技术中的 参量变化 而言，提供了很有价值的示范。不像在特定设计中做可行性研究用的演示模型，斯米顿的模型水轮是关于设计的 一般 类型 及其内在机制的科学研究。正如那些在可控的实验室环境中创造了真空或其他现象的自然科学家一样，斯米顿创造了他自己的实验装置。他区分了相关的参量，系统地改变它们，梳理出它们各自的效应与相互关系，对他的实验数据提出合理化的解释。这些正是自然科学实验中分析方法的特征标记。斯米顿从他的数据中得出了关于水轮运行的主要物理原因的特定结论。他在一篇科学论文中公开了这些结果。在近一个世纪之后，斯蒂芬森写道：“直到今天，在对科学工程进行最高级的漫游中，尚鲜见如此有价值的作品……而当年轻人询问我他们应当阅读什么时，我坚定不移地说：‘去看看斯米顿的学术论文吧；阅读它们，完全掌握它们，没有任何东西比它们更有益于你们了。’”当他说这些话的时候，水轮正在逐渐被淘汰，但是斯米顿的思想与方法并没有过时。 ³²

受控实验的重要性，并不意味着单单其本身就足以对科学进步产生影响。斯米顿的概念框架是相当粗糙的。这对诸如水车之类的简单机械已经足够了，但当机械变得越来越复杂的时候，它们就需要更加复杂的理论了，虽然这些理论对于简单的机械来说也许不够高效。与斯米顿同时代工作，而又独立于他的数学家约翰·欧拉（Johann Euler），把他父亲莱昂哈德·欧拉的流体理论用于分析水轮，得出了关于重力轮优越性的相似结论。这一工作为他赢得了科学奖金，但却被水车工匠们大大忽视了，因为对他们来说，约翰·欧拉的理论实在深奥难懂，也没有向他们提供较之斯米顿的经验成果更多的实践建议。然而，正是他的数学理论提出了一种更一般形态的水力机器，并成了水轮机后继发展的重要一步，水轮机现在还在水力发电厂里嗡嗡作响，而老式水车早已消失了。

来自能量转换发动机的动力

水车、风车、蒸汽机、内燃机，以及诸如此类的机器，构成了一类称为 原动力机 ，即 能量转换发动机 的机器。它们是工业的心脏脉动，因为它们释放了储存在燃料、水和其他初级能源中的能量，并且把能量转化为有用的动力或机械功。原动力机的地位并没有随着电力的兴起而衰减，电力具有无比丰富的中介功能，它的产生是依靠发电厂中从自然能源里提取能量的原动力机。 ³³

能量转换发动机的设计是机械工程的主要论题。随着机器变得日益复杂和精密，机器设计也越来越要求对其内在的物理原理有充分的理解，工程师和物理学家都对此作出了贡献。沿着能量转换方式的脉络发展的工程技术史，将追溯各种类型动力机的演变：水车如何变成水涡轮机；蒸汽机如何推动了铁路时代，并最后演变为在火力发电厂和大型轮船中运转的蒸汽涡轮机；内燃机如何统治着道路与天空，它既存在于螺旋桨飞机的不同型号的活塞式发动机中，也存在于喷气式飞机的不同型号的涡轮式发动机中。我们将会看到，这些发动机在反向操作时，如何变成了各种泵和冰箱。我们将会注意到，各种类型发动机如何汇合通向涡轮机的设计。我们将会对工程师的独创性深表惊奇，他们用可压缩流体作为媒质把来自燃料燃烧产生的热转化为有用的机械功。

发动机设计的进展伴随着对内在机制的科学理解的进展。沿着这条轨迹，我们将会看到，在研究蒸汽机的运行时，法国工程师卡诺（Sadi Carnot）是如何创立了热力学的；随后卡诺循环与热学又如何反过来促进其他热机的设计，特别是为绝大多数商用车辆提供动力的高效柴油机的设计。我们将会检验帕森斯（Charles Parsons）的反作用式蒸汽涡轮机；询问高效涡轮机的设计如何要求科学地理解流体的运动与压缩；它们如何促进流体动力学与空气动力学的发展；以及科学理论又是如何反过来使作为喷气推进器的燃气涡轮机的发明成为可能。

人类进行能量转换的历史表明，诸如热力学和流体力学之类工程科学的本质与作用是，把自然现象放在生产环境中去考察，并系统地探索它们在实际制约下的一般原理。它提供了把科学理论与工程设计相结合的动力学机制的另一个例子。鉴于篇幅有限，在此我只能一笔带过；实际上，我们已经在土木工程的场合中探索过这个主题，并且会在其他领域再次遇到它。

从蒸汽动力到自动机器

瓦特的创新性发动机设计在五年时间里一直被束之高阁，因为没有人有技能和工具来制作这种发动机。如果不是威尔金森（John Wilkinson）造出了一台能够加工大口径发动机气缸的钻孔机，恐怕瓦特的设计还会搁置更长时间。能量转换的发动机驱动着工业革命。作为复杂的机器，它们不能在没有合适的 机床 ，即缺少制作机器的情形下自行起步。 ³⁴

弦弓钻孔最早出现在约公元前 2500年的古埃及；而有考古证据表明，曾在意大利中西部古国伊特鲁里亚出现的车床加工，可追溯到公元前 700 年左右。当达·芬奇在他的笔记本上勾画出车床、磨床、镗床和螺纹铣刀等加工机械的草图时，类似的机器工具已经在社会上使用，而且不断地得到改进。早期的机床是用于木工制作的，而木料随着工业的进步日益被金属所取代。制造了现代机器的机床，大部分是金属加工设备，能够精确地切割或塑造大量的大小不一的金属零件。金属远比木料更难处理，因而机床加工需要更多的工程技术知识。

蒸汽机、火车头和汽船的制造者在机床业中扮演着双重的角色。除了需求的拉动，他们还通过经营自己的机械商店而实施技术推进。当威尔金森在1795年放弃生意时，博尔顿和瓦特公司却建立起自己的铸造厂，并配备了商店，经营钻孔凿洞、大件车削、齿轮铣削、图案雕刻、设备安装和其他业务。它的主要竞争对手马修·默里（Matthew Murray）也很快效法。这两家工业工程商店，至少在私人部门中是第一批经营这种类型业务的，它们相互竞争开发制造发动机部件的新技术，例如设计一台机器来制造表面平整的滑动阀门。它们成了培养大量机械工程师的学校，而这些工程师中的很多人随后开设了自己的商店。随着它们的不断壮大，机床产业吸引了许多人才，其中有莫兹利（Henry Maudslay），他开拓了精密机床加工领域。他的机器商店培育了很多机械工程师，例如内史密斯（James Nasmyth），他发明了蒸汽锤，还有惠特沃思（Joseph Whitworth），他把加工精度提高到一个新的高度。

在工业革命中，英国高超技术背后的一个因素，是先驱工程师们开发出了性能精良的机床，他们在50年时间内将蒸汽动力时代转向了机器时代。费尔贝恩曾描述过这种技术风景线的变迁，他于1813年来到曼彻斯特，并在48年后的一次城市集会上发表演说时谈道：“当我首次进入这个城市时，全部器械都是由手工来完成的。既没有龙门刨床、插床，也没有牛头刨床；除了很不完善的车床和一些钻头，建筑业的预备工序全靠工人的双手操作。现在，每样东西都是由一定精度的机床来做，赤手空拳根本完成不了。自动化装置或自动机床在其内部几乎就有一种创造力；实际上，它的适应能力如此巨大，以至于不存在它无法模仿的人手操作。” ³⁵

正如当年费尔贝恩所预言的，美国正在从英国的手中夺走机床的领先地位，并会将它一直保持到20世纪70年代。美国人发明了两种威力强大的通用性机床——铣床与转塔车床。20世纪50年代，在航空工业界和美国空军方面的支持下，麻省理工学院开发了数字控制技术，从而把机床自动化提高到了一个新的水平。今天，在美国销售的3/4以上机床是由计算机控制其精确性和灵活性的。

“机床工业处于国家制造业基础设施的核心，它的地位远比它较小的体量所暗示的那样要重要得多。”麻省理工学院工业生产力委员会如此写道，他们担忧美国工业在20世纪80年代的下滑趋势。所有工业都直接或间接地依赖用于金属零件切削和成形的机床。如果他们的工具在速度、精度、可靠性、灵活性或成本效益方面比他人逊色的话，就会有失去竞争优势的危险。当底特律汽车制造厂商抱怨他们所能买到的最好、最快的机床早已在德国宝马汽车公司或丰田汽车公司使用了两年时，美国汽车工业正在酝酿一场危机。 ³⁶

知识在机器中的物化

随着各种机器的相继激增，它们的工作机制也得到了系统的研究。1875年勒洛（Franz Reuleaux）的《机器运动学》（ Kinematics of Machine ）一书分析了复杂的机器，解释了机器的各部分通常是如何作相对运动的，并描绘了总体上的一连串机制。这样的概念性概括与推论性阐述，就是农业工程师杜思韦特（Born Douthwaite）称之为“去实体化知识”（disembodied knowledge）。其实这种知识是很有价值和不可缺少的，并非言之无物。人们从经验中学习，“耳听为虚，眼见为实”，目睹真实事物的展现，往往不是口头表述甚至平面图像所能替代得了的。那就是为什么信息技术无法消除实地考察必要性的原因。杜思韦特解释了具体的机器本身，特别是能够完成以前需要人工操作完成任务的自动机器，构成了他所谓的“实体化知识”（embodied knowledge）。他举农业机械为例；实际上，机床同样也能作为例子。 ³⁷

加工金属工件都有一些数目有限的基本工艺，且可分为两大类别。一类是金属成形工艺，包括铸造、模压、冲孔、轧制与锻造；另一类是金属切削工艺，包括车削、铣削、研磨、钻孔与镗削。每一种工艺都涉及若干工序，这些工序虽然各自单独看来都非常简单，但为了制造复杂的工件，必须以复杂的方式共同协作。为了完成每一道工序，工匠们已经发明了大量手工工具。他们的技能在协调使用工具以产生预期效果方面，至今仍然得以保留。那些 技能 正是工程师努力将之变为自动化的东西。工人们千方百计力求完成一道工序，而工程师千方百计试图辨别出一些重要特征，使其在物理上符合机器的整体设计，以便当那些特征发生变化时，在范围十分广泛的工作条件下，机器设计仍能适应工况而展示一流的工作性能。工程师提炼出某种技能的本质特征，并把它们融会到某种通用型机床里去。因此，自动化起到一种将技能诀窍蕴含在具体机器之中的 物理概括 的作用，这与用词语或方程阐明知识的 概念概括 截然不同。

与概念解释的分析趋势相反，知识的物化强调了各种要素在一个复杂的功能性整体中的综合。例如，车床是最古老的一种机床。时至1800年，现代车床的所有组成部分——主轴轴承、丝杠、滑板座——在一些地方仍然分开来使用。于是莫兹利以一种理性的设计思路修改了它们，并使之集成。他煞费苦心地确保这些不同构件能以巨大的灵活性、可靠性与机械可控性协同运行，从而使车床成为一种用于精密机械加工的基本工具。综合常常被看作是工程技术的核心。机械工程师兼历史学家伍德伯里（R. S. Woodbury）写到，莫兹利“进行了大综合，将所有这些更早的元件都集中体现在一个设计中，该设计设置了车床一直沿用至今的基本构形，正是这种构形使车床成为意义深远的工具”。 ³⁸

另一个例子是约瑟夫·布朗（Joseph Brown）发明的通用铣床，它提炼并综合了来自近半个世纪铣磨实践的洞见。虽然原先开发铣床的本意是为了用麻花钻在工件上制造沟槽，但后来证明铣床具有巨大的多功能性。工人一旦掌握了用铣床制作沟槽的工艺，就较容易将它改装成适合用于其他产业的工作。如同莫兹利的车床一样，布朗的铣床变成了一种基本的、通用性的机器设计，它通过无止境地适应新的应用而一直保持这一特性。这些基本的机器设计就像科学原理那样，只不过是把一般知识物化在具体形态而不是抽象形态中。

自动化与反馈控制

没有任何东西比控制装置更有效地把技能和“诀窍”具体化为物理形态了。一个工匠控制着手工工具的运动以及它与作业有关的位置和角度。然而手工工具本身并不具备控制功能。随着技术的发展，越来越多的手工控制技术被整合到机床中去。例如，具有滑动刀架的莫兹利螺纹切削车床，正是通过将刀具的平移运动与毛坯工件的旋转运动进行机械性结合，从而获得了有效的控制。未来的趋势更是如此。 ³⁹

一台通用型机器必须允许作相当多的调节以及运行误差，以便它能适用于加工制作形状各异的多种工件。如果没有附加的设备，调节机器运行是通过机械师的人工控制来实现的。为了使机器自动地制作某种特定形状的工件，工程师给它添加了一个控制器。当前，大多数控制器都是数码实现的算法。在旧时，作为机床控制器的部件是模板、夹具和制动开关，它们以与钥匙复制器相同的基本原理运作。用一枚在模板上移动的指针引导机床的运动，并用开关让刀具在工件所要位置上停下来（如图 2.3a所示）。虽然制作模板和夹具的价格不菲，但是它们对于复制很多同样形状的工件来说还是很划算的。它们对于大规模生产的兴起至关重要。

在控制工程中，被控制的系统一般称为某种 设备 。控制方案可划分为两大类。在 开环 控制中（如图 2.3b所示），控制器拥有所有必要的信息，通过一个不用进一步信息输入的触动器来调节设备的运行。在更复杂的方案中，用一个传感器测量设备的状态，而控制器根据测量到的信息决定对该设备进行怎样的调节。这就是所谓的 反馈 控制（如图2.3d所示）。如果说开环控制器只是发出指令，那么反馈控制器就是一直监控着触动器的运行以及设备的反应，并以其后继指令来校正执行中出现的任何错误。

反馈 这一术语是由通信工程师在 20世纪 20年代首先创立的。然而，闭环控制装置自古以来就一直在使用，例如在公元前 3 世纪，由拜占庭的菲隆（Philon）制造的油灯就已运用闭环控制了。受到水磨坊中用来调节上下两块磨石之间空隙的机械装置的启发，瓦特在1788年设计了飞球调速器。它与蒸汽机相配套，两者形成了一个以恒定速度运行的自行调节系统（图2.3c）。这种飞球调速器属于一类称为 调节器 的反馈控制器，目的在于通过让设备变量之一保持恒定的值，使得整个设备得以稳定运行。可保持恒定温度的恒温器是人们所熟悉的一种调节器。调节器除了用在机器上以外，还用于各种工业设备，以调节温度、压力、液体或气体的流量、电流和电压，以及在不同操作条件下的其他变量。因为调节器必须在与测量相关变量值的传感器相连接时才运转，所以它们刺激了对度量仪器的需求。为了回应这种需求，工程师们发明了众多机械的、电气的、气动的，以及其他类型的传感器和信息传输器。

大型蒸汽船的建造，也导致了对另外一类控制器的需求。甚至希腊神话中的大力神赫拉克勒斯（Hercules）也无法转动有上千吨排水量船只的船舵。为了移动船舵，必须增大作用于转舵装置上的“手劲”，而这可以通过蒸汽机来实现。工程师们必须找到能够使船舵对转舵装置的运动作出精确反应的各种方式，并让舵手对船舵性能产生某种“感觉”。在 1866年，格雷（McFarlane Gray）获得了一项具有反馈控制功能的操舵发动机的发明专利权，这一装置率先安装在 21 000吨排水量的“大东方”号（Great Eastern）上。它代表一种新型的控制器，能修正一个设备变量的值，使其精确跟踪一个输入变量的变化值：让船舵跟踪转舵装置的指示运动。这种新型的自动控制器称作 伺服机构 （servomechanism），源自拉丁文 servo ，该词意为奴隶或仆人。

飞球调速器有时会陷入上下摆动的状态。类似的情况烦扰着许多其他种类的控制系统，这些系统经常也是不稳定的，或者容易受到系统参数微小变化的干扰。这些问题引起了那些对动力系统的稳定性，特别是关于太阳系稳定性问题具有传统兴趣的物理学家和数学家的注意。1868年麦克斯韦把调速器当作由微分方程表示的动力系统来加以研究，11 年以后劳思（Edward Routh）发现了一个稳定性标准。随着应用对象的不断增多和系统复杂性的提高，问题也随之复杂化了，要求用数学分析来解答。不久，米诺斯基（Nicolas Minorsky）和黑曾（Harold Hazen）等工程师提出了自动控制理论。1922年，米诺斯基分析了各种类型的驾驶伺服机构。他仔细研究了舵手们的人工操作，力图把他们的技能与知识不仅在自然形态上，而且在理论上结合到控制器里去。他发现，知道船舵偏离了所要求的位置与知道它的偏离变化率一样重要，并得出了清晰表述的三个项：比例、积分和微分公式（即PID）。他研制的这种PID控制器能够纠正瞬时的、静态的，以及不稳定性的误差。虽说早在此前11年，斯佩里（Elmer Sperry）依靠理性经验主义已经造出了一个类似的操舵装置，但是正是米诺斯基的理论分析开拓了巨大的新领域。部分原因在于它澄清了概念，PID控制器已推广到很多应用领域，直到今天仍在广泛使用。

控制机器与全套设备的操作，对于所有工程分支来说都是一个共同的目标。正当机械工程师为伺服机构而奋战时，电气工程师也在同电力传输系统稳定性和长途电话放大器等问题角斗。在第二次世界大战期间，工程师们一起合作，发现在各个领域表面上不同的控制过程背后隐藏着某种一般原理。在战后，当工程领域在第三次浪潮中奔腾向前时，技术上相得益彰的交流取得了丰硕的成果。在这些成就中就有复杂控制理论，我们将在第6.2节中继续讨论这一成就。 1a2+VP02VBpk0kkuPnR4FG/LtmeBqWLuSLH+BwEEfZkpIoVKt8jJ0o8hBPI22+xi