瓦特离心调速器

瓦特离心调速器

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，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。这就是反馈控制系统的第一个理论问题：稳定性问题。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。后来他的学生劳斯

（ Edward John Routh,1831 － 1907 ）得到了更一般性的判别方法，就是自控原理中的劳

斯稳定判据。

正是因为麦克斯韦用数学的方法来分析此类反馈问题，并且得到了这类问题的一般规

律，后人将此文《论调节器》作为控制理论研究的第一篇论文。后来，俄国的李亚普诺夫（ А

лександр 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。