文／陳永平　

自文藝復興運動之後，在眾多科學界前輩的努力下，人們除了對大自然的運作法則漸趨明朗之外，也開始利用科學原理開發各式各樣的機器，以改善生活環境。其中最先嶄露頭角是18世紀末，由英國發明家瓦特(Watt)所成功改良的旋轉式蒸汽機，自此人類擺脫天然動力的束縛，正式邁入機器動力時期。

就控制科技而言，如圖①所示，在機器動力時期除了設計機器本體之外，致動器的開發也相當重要。致動器的主要功能是用來推動機器本體，其種類繁多，今天只針對至今仍被大量使用的蒸汽機、引擎與馬達稍做介紹，三者間最大的不同點是所需的能源不同，分別為煤、石油與電力。

提到蒸汽機，首先想到的通常都是瓦特，事實上從歷史的文獻來看，人類的第一部蒸汽機雛形是以蒸汽來轉動機構，所以也有人稱之為汽轉機。一直到了18世紀初，具備應用功能的蒸汽機才真正問世，例如被用來開發礦區的鈕可門蒸汽機，就是其中一例。

內燃引擎 增進效率



可惜的是蒸汽機存在操作不易等缺點，也因此難以推廣，這種情況延續了近50年；一直到18世紀末，瓦特才針對紐可門蒸汽機的缺失加以改良，發明了旋轉式的蒸汽機，並受到工業界的重視及推廣，進而引發了人類史上首次的工業革命。

值得一提的是，瓦特在蒸汽機中加裝了一套能夠控制轉速的機構，稱為「飛球裝置」──這也是控制科技史上第一個採用回饋控制的機械結構。

蒸汽機雖然帶動了工業界的製造熱潮，但是卻也因為使用煤作為燃料，引發了嚴重的空氣汙染，例如19世紀中期的倫敦即深受其害，甚至被冠以「霧都」的惡名。此外蒸汽機是以外燃的方式加熱，導致熱能大量外溢，平白浪費了許多不必要的能源。為了避免上述缺點，德國的工程師奧圖(Otto)提出了熱循環理論，並設計出以石油為燃料的內燃機，也就是今日所稱的引擎，目前已經被大量使用在各種交通工具上。

以電代媒 減少汙染



內燃式引擎的發明雖然提升了能源的使用效益，但是大量交通工具的廢氣排放，還是帶來了空氣汙染的爭議。為進一步化解這個問題，致動器勢必要避開石油與煤碳的直接使用。幸好進入19世紀後，英國科學家法拉第發現了磁生電的電磁效應，並且提出了發電機的構想。這樣一來可利用天然的能源來推動發電機，經由磁生電的特性將動能轉換為電能。由於電能是由天然能源轉換而來，所以我們一般將天然能源視為「初級能源」，而電能則稱為「二級能源」。

利用電能所推動的致動器中，最常見的是馬達，目前馬達已經被廣泛使用在各種機器上，也嘗試推廣到在路面上行駛的各種交通工具，希望能有助於改善空氣汙染的問題。

以上概略說明控制科技在第二個時期所發展的致動器，有了推動機器的致動器後，接著要構思的是如何讓機器能自動運作，也就是進入控制科技的第三個時期──全自動化時期，在此時期所發展的電機與資訊技術，我們留待下回分解。（待續）