调速器的发明与研究

武际可 

调速器，是一个不起眼的东西。它的简单原理不过是一个现今理论力学课的习题。看似简单，但是他在近代控制技术和控制理论发展上，却起到了开天辟地的作用。所以有必要介绍一下它的简单历史。

最早的蒸汽机可以追溯到17世纪末，1698年英国人托马斯·塞维利（Thomas Savery,1650－1715）发明了利用蒸汽压力的抽水泵――“矿山之友”，并且报了专利。它的工作过程是：在容器中通入蒸汽，使蒸汽在容器中凝结，利用蒸汽凝结后所形成的真空把矿井中的水抽上来。这种泵有两大缺点，一方面是对地下水位较低（低于水泵10m）时就抽不上水，另一方面是由于突然进入容器的蒸汽压力过高而易于爆炸。因此很少被采用。

1712年，英国人托马斯·纽可曼（Thomas Newcomen,1663－1729）发明了大气压蒸汽机。这种机器具有汽缸与活塞, 在工作时, 先把蒸汽导入汽缸, 这时汽缸停止供汽而汽缸内进水, 蒸汽便遇冷凝结为水使汽缸内气压迅速降低，就可以使水吸上来。之后再把蒸汽导入汽缸，进行下一个循环。最初的这种蒸汽机大约每分钟往返十次，而且可以自动工作，使矿井的抽水工作大为便利，所以不仅英国人使用，在德国与法国也在使用。

英国人瓦特（James Watt,1736－1819）经过进一步的研究发现，纽可曼的蒸汽机的效率是很低的，其所以低是由于在用水去冷却汽缸时，汽缸的温度变冷了，这样汽缸又要消耗过多的蒸汽去再加热。

1765年5月瓦特提出了使蒸汽从汽缸排入另一容器的想法，这个容器后来被称为冷凝器。经过反复试验与改进，他的装有冷凝器的蒸汽机在1769年制成了，并在同年的4月25日提出了专利。新的蒸汽机效率提高了很多。

尽管经过了这一系列的改进，蒸汽机的效率算是有所提高，但是由于蒸汽机的速度不能很好地控制。烧煤多时蒸汽多机器就转得快，烧煤少时就转得慢，这种不能均衡地转动的蒸汽机是不能派上大用场的。其时蒸汽机的主要用途就是在矿井抽水。

瓦特的另一项重要发明是在蒸汽机上安装了离心调速器，这大约是1782年前后的事情。 据说调速器并不一定是瓦特的发明，不过瓦特想到把它装在蒸汽机上，也是一件了不起的创新。这种调速器的构造是利用蒸汽机带动一根竖直的轴转动，这根轴的顶端有两根铰接的等长细杆，细杆另一端各有一个金属球。当蒸汽机转动过快时，竖轴也转动加快，两个金属小球在离心力作用下，由于转动快而升高，这时通过与小球连接的连杆便将蒸汽阀门关小，从而蒸 汽机的转速也便可以降低。反之，若蒸汽机的转速过慢，则竖轴转动慢了，小球的位置也便下降，这时连杆便将阀门开大，从而使蒸汽机转速加快。离心调速器是一个基于力学原理的发明，他是蒸汽机所以能普及应用的关键, 也是人类自动调节与自动控制的开始。由于人们能够自由地控制蒸汽机的速度，才使蒸汽机应用于纺织、火车、轮船、机械加工等行业，才使人类大量使用自然原动力成为可能，这才有产业革命的第二阶段。

瓦特的改进蒸汽机的普及速度是很快的，到1790年老式的纽可曼蒸汽机已经看不见了，到1790年大约有500台蒸汽机在英国工作。经过了大约不到100年，到了1868年，仅仅在英国就有75,000台蒸汽机之多。1805年，在美国蒸汽机被装上了汽车作为动力。1807年，美国的富尔顿（Robert Fulton,1765－1815）发明以蒸汽机为动力的轮船。1825年斯梯文森（George Stephenson, 1781－1848）造成了可以在轨道上行驶的蒸汽机车。1800年英国的特里维希克（Richard Trevithik,1771－1833）发明了高压蒸汽机。1801年美国人埃文思（Oliver Evens,1755?－1819）造出了真正合用的高压蒸汽机。

调速器使用后，初期运行很正常。但是当蒸汽机的速度提高后，调速器就不能稳定运转了，会出现时快时慢的现象。最早研究调速器的稳定性问题的是英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831－1879）。1868年麦克斯韦发表的《论调节器》最早把调速器的运动状态用微分方 程来描述，他导出了调节器的微分方程，并在平衡点附近进行线性化处理，指出稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部。麦克斯韦在论文中对三阶微分方程描述的具体系统以及具有五阶微分方程的特殊系统进行了研究，并给出了系统的稳定性条件。

后来到了1872年，俄国的维斯聂格拉斯基（Иван Алексеевич Вышнеградский，1831－1895）写出了论文《论调整器的一般原理》，于1876年在法国科学院报上发表。他和麦克斯韦一样采用线性化的方法简化问题，得到了比较完全的稳定性条件。

后来英国的儒斯（Edward John Routh,1831－1907）和俄国的李亚普诺夫（Александр Михаилович Ляпунов,1857－1918）分别在1877年和1892年发表对于运动系统普遍稳定性的理论研究的论文，才最后从理论上比较完全地解决了力学系统的稳定性问题。

调速器是一项技术发明，由于它的重要性，才开始了蒸汽机的普遍使用，从而才有产业革命。工业控制论的研究也可以说是从调速器的研究开始的。并且由研究调速器的稳定性开始导致研究力学系统稳定性的开始和深入。因此，了解调速器的历史，对于了解蒸汽机的历史，对于理解控制论的历史，对于了解运动稳定性研究的历史都是十分重要的。

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