Первые автоматические регуляторы паровых машин.

В предыдущем разделе рассматривались редкие примеры известных регуляторов с обратной связью от древних веков до XVIII в.: водяные часы, регуляторы температуры и давления, механизм разворота ветряного колеса мельниц. Однако широкого применения подобные регуляторы не нашли из-за своей сложности и дешевизны ручного труда человека, который легко справлялся с такими задачами управления. И только с началом промышленной революции потребовались регуляторы совсем другого рода — регуляторы скорости машин.

Рис.8.8. Джеймс Уатт (1736–1819)

Промышленная революция в европейских странах началась в XVIII веке с широкого применения паровых машин для откачки воды из шахт, плавки металлов, приведения в движение станков и механизмов на заводах. Особенно много машин потребовалось в XIX в. на транспорте после изобретения Робертом Фултоном (Robert Fulton) парохода в 1808 г. и Джорджем Стефенсоном (George Stephenson) паровоза в 1825 г. Французский изобретатель Клемент Адер (Clment Ader) построил в 1890 г. даже самолет с паровым двигателем.

Первым попытался использовать энергию пара для механического движения еще французский физик и изобретатель Дени Папен (Denis Papin), построивший в 1690 г. паровой цилиндр с поршнем, который был усовершенствован в 1705 г. кузнецом Томасом Ньюкоменом (Thomas Newcomen). Однако обе машины управлялись вручную, были крайне неэффективны и широкого распространения не получили. Паровую машину с автоматическим впуском и выпуском пара с помощью золотника построил английский механик, изобретатель и предприниматель Джеймс Уатт (James Watt) (Рис.8.8), получивший на нее первый патент в 1769 г.

Кроме того, паровые машины оснащались другими автоматическими устройствами: клапаном Папена, рассмотренным в предыдущей статье, и регулятором уровня воды в паровом котле. На Рис.8.9 показан поплавковый регулятор первой в России паровой машины, построенной изобретателем Иваном Ползуновым на Урале в 1765 г.. Паровой котел 1, вмурованный в кладку 2 с топкой 3, имел водяную трубу 4 и патрубок 5, отводящий пар. Уровень воды регулировался поплавком 6.

Рис.8.9. Паровой котел Ползунова (1 — паровой котел; 2 — кладка; 3 — топка; 4 — водяная труба; 5 — патрубок, отводящий пар; 6 — поплавок)

Однако паровая машина стала вполне работоспособной и популярной только после того, как Уатт ввел в нее в 1788 г. центробежный регулятор скорости, устранивший нестабильную работу машины. Уже к 1800 г. в Англии работали сотни машин Уатта (Рис.8.10). Центробежный регулятор паровой машины был настолько важной ее составной частью, что Уатт хранил его устройство в глубоком секрете и не патентовал.

Рис.8.10. Паровая машина с регулятором Уатта (1 — паровой цилиндр; 2 — золотниковый распределитель; 3 — заслонка подачи пара; 4 — центробежный чувствительный элемент)

Центробежный чувствительный элемент, являющийся измерителем скорости машины, был заимствован Уаттом из водяных и ветряных мельниц, где он использовался для изменения усилия прижима жерновов при изменении скорости ветра. Его устройство было запатентовано механиком Томасом Мидом (Thomas Mead) в 1787 г.

Рис.8.11. Центробежный чувствительный элемент Уатта (1 — шкив; 2 — шары; 3 — ползун; 4 — рычаг)

Центробежный чувствительный элемент Уатта (рис.11.11), приводимый во вращение от вала машины через шкив 1, содержит два массивных шара 2, соединенных с ползуном 3, связанным рычагом 4 с заслонкой паровой машины. Центробежная сила, возникающая при вращении шаров, уравновешивается их весом таким образом, что каждому значению скорости соответствует определенное положение ползуна, а, следовательно, и расхода или давления пара в цилиндре. В дальнейшем для улучшения регулировки такой элемент оснащался пружиной, компенсирующей вес шаров.

При увеличении момента нагрузки скорость машины слегка падает, поскольку для увеличения давления пара заслонка должна быть приоткрыта, что достигается движением ползуна вниз, т. е. опусканием грузов. Возникающая при этом ошибка регулирования скорости была названа неравномерностью регулятора, а все регуляторы такого типа назывались модераторами, т. е. устройствами, которые не устраняют ошибку регулирования, а только ее снижают. Современное название ошибки — статическая ошибка, а регулятора — статический регулятор.

Второй особенностью регулятора Уатта является прямое механическое действие чувствительного элемента на заслонку. Аналогично работал и рассмотренный в предыдущей статье регулятор температуры Дреббеля, в котором энергия открывания вентиляции вырабатывалась спиртовым чувствительным элементом. Поэтому все регуляторы такого рода назывались регуляторами прямого действия.

Помимо коммерческого успеха, регулятор принес его автору и заслуженное признание. В его честь единица мощности в системе SI названа 1 Вт. Уатт был приглашен в Российскую академию наук, правда, от этой чести отказался. Центробежный регулятор скорости позднее нашел широкое применение также в телеграфных аппаратах, телескопах, граммофонах и т. д.