调速器的发明与研究，工业控制论的由此开始
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。
塞维利机
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。
纽可曼机
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。
瓦特蒸汽机 冷凝器与分离气缸
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。
离心式调速器
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，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。
瓦特蒸汽机
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75000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。
特里维希克蒸汽机车
埃文思高压蒸汽机
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。
来源：武际可科学网博客，图片来自力学酒吧公众号
作者：武际可
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