PID与飞球式调速器
2026年03月02日 10:07:30
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一般认为，的控制系统是公元前300年~公元前1年古希腊人和阿拉伯人发明的水钟中的浮球调节装置。中国古代则有刻漏计时器、水运浑天仪、指南车等。古代人运用聪明才智来解决生产和生活中的问题，这些工作只是模拟了人的操作方法，朴素地使用了反馈控制原理，和控制理论的发展没有必然联系。控制理论是随着工业革命的发展需求而发展起来的一门科学。
普遍认为应用于工业过程的控制器是詹姆斯·瓦特(1736-1819年)1788年应用于蒸汽机的飞球式调速器。下图展示了飞球式调速器的工作原理：假定发动机运行在平衡状态，两个重球在与中心轴成某一给定角度的锥面上围绕中心轴旋转，当蒸汽机负载增大时，它的速度减慢，两个重球下跌到更小的锥面上旋转，引起杠杆运动打开蒸汽室主阀(执行机构)，从而增加进入的蒸汽量，以恢复至之前的速度。因此，球与中心轴的角度是用来控制输出速度的。
飞球式调速器被认为是控制发展的一个里程碑，飞球式调速器并不是瓦特发明的。关于应用离心力控制速度，科学家惠更斯(1629-1695年)和胡克(1635-1703年)都曾钻研过并设计了利用离心力控制速度的装置。
到18世纪，在蒸汽机出现之前，离心力式调速器已经在风车上被大量应用。风车技术人员开发了许多新装置，不过他们大多是工程师而不是科学家， 因此留下的文献记录很少。瓦特对蒸汽机的改进始于1763年，当时他在格拉斯哥大学几位教授的帮助下，在大学里开设了一间小修理店。他修理了学校的一台纽科门蒸汽机，但当时蒸汽机的效率很低。此后，瓦特对蒸汽机进行了一系列重大改进：将冷凝器与汽缸分离，采用连续旋转运动的曲柄传动系统，发明了双向汽缸、平行运动连杆机构等。直到1788年，瓦特从其合伙人博尔顿处了解到已经在风车中广为应用的飞球式调速器，并意识到可以将它改进后用于蒸汽机的转速控制，以保证蒸汽机的平稳运行，于是发明了采用飞球式调速器的蒸汽机。
1790年左右，佩里埃兄弟设计的调速器中引入了的积分作用。他们使用一个液压装置，在装置中，流入容器的液体量和速度成比例关系，而且蒸汽阀由液位控制。1845年，西门子兄弟通过差速齿轮引入了积分作用。西门子兄弟还基于惯性轮引入了微分作用。自此调速器成了蒸汽机不可分割的一部分， 从18世纪末到今天，调速器也得到了发展。
蒸汽机的出现开辟了人类利用能源的新时代，使人类实现了机器大生产。 到1868年，约有75000台飞球式调速器在英国使用。最初的飞球式调速器存在的主要问题是：只能在一个运行条件下实现精确控制，即只能在小负载变化中运行。用现在的话说，就是当负载变化较大时，控制存在余差。
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