Бунт» паровых машин

Усилия инженеров, разрабатывавших все более совершенные паровые машины, были направлены, прежде всего, на увеличение их мощности. Простейший путь к достижению этой цели - расширить объем цилиндра, увеличив его диаметр и длину. Но увеличение диаметра приводило к большому просачиванию пара между поршнем и стенкой цилиндра. Тщательное уменьшение зазора приводило к резкому возрастанию трения, что приводило к падению мощности машины. К такому же результату приводило и удлинение поршня. Удлинение самого цилиндра требовало удлинить ход поршня, а значит утяжелить кривошипно-шатунный механизм, что влекло за собой необходимость делать маховик более массивным, ему предстояло протащить через «мертвую точку» и вернуть в исходное положение ставший более массивным поршень.

Борьба за увеличение мощности паровых машин стави­ла перед инженерами все более сложные задачи. Чтобы их решить, казалось выгодным увеличить расход пара, однако при этом возрастал диаметр паропровода, росли размеры и масса регулирующей заслонки. Чтобы при этом управлять машиной, приходилось все более увеличивать массы гру­зов в центробежных регуляторах и таким образом утяже­лять удерживающие их рычаги и муфту. Одновременно инженеры делали машины все более быстроходными, что позволяло им уменьшать и облегчать маховики.

Идя этим путем, инженеры одновременно повышали точность изготовления и качество обработки движущихся частей машины и регулятора. Тщательная обработка стенок цилиндра и многочисленных подшипников снижала трение. Однако по мере увеличения мощ­ности паровых машин и улучшения их деталей, все чаще возникали жалобы на их неустойчивую работу. Чтобы поддерживать число оборотов приходилось непрестанно вручную манипулировать заслонкой (и это при том, что на машине был установлен регулятор), и ни­какие усилия инженеров не позволяли отрегулировать машины так, чтобы они действовали так же устойчиво и послушно, как более старые и менее мощные машины, созданные при Д.Уатте.

Подозрение пало, прежде всего, на регулятор Уатта. Обращали на себя внимание два главных недостатка регулятора Уатта: а) регулятор начинает действовать, когда изменение скорости вращения уже произошло (в дальнейшем такой принцип регулирования получил название «принцип регулирования по отклонению»; б) регулятор поддерживает скорость вращения с некоторой погрешностью – на малых нагрузках несколько выше заданной, на больших – ниже (в дальнейшем такое свойство регуляторов получило название «неравномерность регулятора», а сами регуляторы стали называться статическими). Неравномерность можно был уменьшить, переместив опору рычага ближе к измерителю частоты вращения, однако при этом уменьшался момент, развиваемый грузами регулятора, что, в свою очередь, требовало увеличения их массы. И опять возникала парадоксальная ситуация: чем успешнее инженеры устраняли неравномерность регулятора, тем сложнее было его налаживать, тем менее эффективно он действовал, и тем чаще машина выходила из заданного режима.

Десятки тысяч паровых машин «взбунтовались» против своих создателей и владельцев. Инженеры должны были признать свое бессилие. Никто не мог гарантировать, что новый экземпляр машины, изго­товленный в точности по образцу предшествующей, будет работать надежно. Никто, приступая к наладке машины, не был уверен, что ему удастся ее укротить. В 1868 году только в Англии работало примерно 75000 паровых машин, которые были снабжены регуляторами Уатта. Причем большинство из них работало ненадежно. Машины, оборудованные ре­гуляторами других типов (к тому времени появились другие регуляторы, свободные от недостатков, при­сущих регуляторам Уатта), отличались еще меньшей надеж­ностью.

Возникла острая необходимость в создании теории регулирования машин, могущей, ответить на вопросы промышленной практики. Из многих сотен ученых и инженеров, работавших в XIX веке над вопросами теории регулирования машин, нужно выделить трех: 1) английского физика - профессора в Кембридже Джеймса Клерка Максвелла (1831 - 1879); 2) русского инженера - профессора Санкт-Петербургского технологического института Ивана Алексеевича Вышнеградского (1831 - 1895) и 3) словацкого инженера - профессора Цюрихского Политехникума Ауреля Стодолу (1859 - 1942), фундаментальные работы которых создали то, что сейчас называется классической линеаризованной теорией автоматического регулирования (ТАР).

Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell)

(1831 - 1879)

Знаменитый английский (шотландский) физик и математик, первым сделал попытку создания общей теории автоматического регулирования в работе «О регуляторах» (1868).

Д.К.Максвеллом впервые были сформулированы условия устойчивости для теплового двигателя (паровой машины), управляемого астатическим регулятором частоты вращения (система автоматического регулирования третьего порядка). Им же была поставлена задача перед математиками о способе получения необходимых и достаточных условий устойчивости для систем автоматического регулирования более высоких порядков.