Регулятор оборотов паровой машины

Есть легендарная история, произошедшая в те времена, когда первые паровые машины умели только качать воду из шахты.
Машина тогда делала один цикл за минуту-другую и чтобы переключать цилиндр и паропровод нужен был человек. Туда посадили мальчика, который должен был на каждом такте один рычаг закрывать, а второй открывать. Но мальчишке не охота было сидеть там целый день и раз в минуту делать примитивное действие. И он связал веревочкой два рычага — чтобы машина сама переключала такты.

История это выглядит фантастично. Я не думаю, что инженеры тех времен не понимали что делают и случайно расположили рядом два рычага, да еще и в противофазе. Но как бы не было, а первым регулятором была металлическая тяга между двумя рычагами.
Но время шло, паровые машины совершенствовались и начали набирать обороты…

Как бы там ни было, но центробежный регулятор оборотов использовал уже Джеймс Уатт. Принцип действия простой — чем быстрее крутится вал, тем выше расходятся грузы под действием центробежной силы и тем сильнее перекрывается паропровод. Грузы опускаются — паропровод открывается.

Что самое интересное — для того, чтобы сделать такой регулятор, не требуется ни высокой точности выполнения, ни даже резьбового соединения!. Сам регулятор можно выточить из меди на ручном токарном станке — и, как показывает опыт Уатта, все будет великолепно работать.

Количество конструктивных выполнений такого простейшего регулятора было велико. Можете полюбоваться на несколько крайних исполнений:

В общем, вещь у Уатта получилась достаточно простая и практичная.
Было в ней парочку недостатков — например, низкая чувствительность регулятора из-за большого трения и низкой точности.
Или нелинейное изменение давления пара. Это когда сначала на каких-то оборотах регулятор очень сильно влиял на поток пара, а при увеличении оборотов регулировка было совсем незаметна. Пока количество оборотов было невелико — все отлично работало. Но когда усовершенствование паровых машин к середине 19 века довело количество оборотов до 250 в минуту — тут все и началось…

Регулятор не мог поймать момент равновесия — он постоянно проскакивал требуемое положение. То есть он то пускал чуть больше пара чем нужно, то чем меньше, и никак не мог поймать золотую середину. Машина начинала дребезжать.
А так как машины стали более быстроходными, то размер и вес грузов пришлось уменьшить. Но технологии уже позволяли делать куда более точные вещи, ставить подшипники и точнее балансировать — и попробовали все эти методы. Результат — стало только хуже. Амплитуда вокруг положения равновесия еще увеличилась, как и частота колебаний давления пара.

После этого чего только не пробовали — решили, что плохо, что рычаги ровные, груз должен двигаться по параболе. Придумали пару десятков конструкций — где груз не просто висит, а катится по специально профилированной чашке или проткнут хитро изогнутыми направляющими. Выглядело красиво, но безрезультатно. Не помогло даже использование воздушного демпфера.

Проблема оказалась в теории управления с обратной связью. В то время не понимали, что если регулятор равномерный, то при переходе равновесного положения он не может не самовозбуждаться (кстати, а среднестатистический попаданец это понимает?).
Когда регуляторы были кондовые, то сила трения и кривизна исполнения это все демпфировали. А качество и точность изготовления сыграли тут отрицательную роль. Редкий случай, однако!

Это поняли в 1867 году (кстати в России, профессором Вышнеградским). С тех пор конструкцию изменили и все заработало.
Сейчас в регуляторах обязательно есть подтормаживающий элемент — где пружина, а где масло, не позволяющие регулятору проскакивать равновесное положение. Вот несколько схем:

Чаще всего применяются плоские регуляторы (на картинке крайний справа). По крайней мере — для быстроходных машин. Конструкция несложная, больше всего напоминает звонок на старом велосипеде.

В общем, с регуляторами та же ситуация, что и со всем:
Пока мы имеем низкую мощность и малые обороты все работает. Но как только они увеличиваются — количество переходит в качество и требуется либо радикальное изменение принципиальной схемы работы, либо резкое усложнение и удорожание, либо — все вышеперечисленное вместе…