Теория автоматического регулирования частоты вращения вала тепловой машины явилась научной базой развития теории авто­матического регулирования и управления в целом.

Впервые автоматический регулятор был установлен на «огнедействующей машине», построенной в 1765 г. русским механиком изобретателем И. И. Ползуновым на Барнаульском заводе. В этой машине автоматический регулятор поплавкового типа (рис. 1) предназначался для поддержания уровня воды в котле в некоторых заданных пределах. Связь между подачей воды G, осуществля­емой под управлением автоматического регулятора, и уровнем ее Н в котле показана на рис. 2 в виде графика G = f (H), называемого регуляторной характеристикой. Наибольшая подача воды G_maх производится при полном открытии задвижки 3 (см. рис. 1) на подводящей трубе 2, что соответствует крайнему положению по­плавка 1 при H_min (точка а на рис. 2). По мере повышения уровня воды в котле задвижка 3 все более уменьшает проходное сечение подводящей трубы 2, отчего уменьшается и подача воды, которая прекратится при полном перекрытии трубы 2. Это ограничивает верхний предел уровня H_max (точка b на рис. 2). Разность ?Н = H_max — H_min, называемая неравномерностью работы регуля­тора, является одним из основных параметров системы автомати­ческого регулирования, характеризующих точность поддержания регулируемого параметра (в данном случае уровня воды в котле).

Через двадцать лет, в 1786 г., английский механик Д. Уатт построил сконструированную им универсальную паровую ма­шину и установил на ней центробежный регулятор, предназна­ченный для поддержания постоянной угловой скорости криво­шипа машины (рис. 3). При увеличении частоты вращения вала 1 машины, валика 2 и грузов 4 муфта 3 регулятора поднимается и перемещает заслонку 5 в сторону перекрытия паровпускной трубы 6, что приводит к уменьшению крутящего момента машины.

Связь между крутящим моментом М машины и частотой враще­ния кривошипа при наличии регулятора показана на рис, 4.

Из графика видно, что наибольший крутящий момент М_mах (точка а) машина развивает при минимальной скорости ?_min. Это происходит при крайнем нижнем положении грузов и муфты. При наибольшей допустимой скорости ?_maх машины (точка b) количество поступающего пара должно соответствовать холостому ходу. Разность ?? = ?_maх — ?_min также можно назвать неравно­мерностью работы регулятора.

Сравнение регуляторных характеристик, приведенных на рис. 2 и 4, показывает идентичность работы регуляторов И. И. Ползунова и Д. Уатта, поэтому такой принцип регулирования (при на­личии неравномерности работы) в настоящее время получил наз­вание Ползунова—Уатта.

Паровая машина Д. Уатта на длительное время стала основ­ным промышленным двигателем.

Только в середине XIX в. в промышленности возникла необ­ходимость создания более совершенных двигателей, имеющих луч­шую экономичность. Такими двигателями и явились двигатели внутреннего сгорания и в первую очередь газовые. На этих новых двигателях так же, как и на всех паровых, в большинстве случаев устанавливали автоматические регуляторы типа Уатта. Но к бо­лее мощным и совершенным в техническом отношении машинам стали предъявлять и более высокие требования. В частности, поя­вилось требование предельно снизить неравномерность работы ма­шины и повысить чувствительность ее регулятора; в некоторых из регуляторов действительно удавалось решить эту задачу.

Однако, начиная с 60-х годов прошлого столетия, стали все чаще возникать трудности в наладке регуляторов; часто наблю­дались случаи неустойчивой работы машин, снабженных автома­тическими регуляторами Уатта; происходил колебательный про­цесс регулирования. Поэтому ощущалась острая необходимость научно проанализировать процесс регулирования и дать ответ на возникшие вопросы.

В 1868 г. появилась работа английского физика Д. К. Мак­свелла, посвященная регуляторам. Он применил линеаризацию динамической задачи, создав метод малых колебаний. С помощью этого метода задача устойчивости регулирования была сведена к исследованию системы алгебраических уравнений.

Работа Максвелла по существу не имела практического зна­чения, так как объектом исследования был не применявшийся в то время астатический регулятор (с нулевой неравномерностью).

Участившиеся неудачи в наладке работы регуляторов типа Уатта вызвали у некоторых ученых и инженеров неверие в прак­тическую пригодность регуляторов, работающих по принципу Ползунова—Уатта. Возникла необходимость в повышении каче­ства регулирования. Например, настойчиво пытались использо­вать принцип регулирования по нагрузке (принцип Понселе) или по ускорению (принцип братьев Сименс).

Однако практика вскоре показала, что регуляторы типа Пон­селе и Сименс не могут быть использованы в качестве самостоятель­ных регуляторов угловой скорости тепловых двигателей.

Таким образом, в 60-х годах и в первой половине 70-х годов прошлого столетия теория регулирования не могла раскрыть особенностей работы и настройки регуляторов типа Ползунова— Уатта.

70-е и 80-е годы прошлого столетия были годами расцвета петербургской математической школы, возглавляемой акад. П. Л. Чебышевым. Характерная особенность этой школы — стрем­ление к разработке конкретных задач, представлявших практи­ческий интерес.

В 1871 г. П. Л. Чебышевым была опубликована работа в обла­сти регулирования «О центробежном уравнителе», в которой рас­смотрены пути уменьшения неравномерности работы регулятора.

В 1877 г. профессором Петербургского технологического ин­ститута И. А. Вышнеградским была опубликована работа «О регу­ляторах прямого действия». И. А. Вышнеградский, будучи мате­матиком по образованию, одновременно являлся и инженером, поэтому его подход к разрешению проблемы регулирования суще­ственно отличался от подхода его предшественников.

В результате тщательного анализа характеристик машины и регулятора И. А. Вышнеградский составил безразмерное алгебра­ическое уравнение третьей степени с двумя постоянными коэф­фициентами, значения которых определялись параметрами си­стемы. Эти два коэффициента позволили получить на плоскости графическое изображение области устойчивой работы системы двигатель — регулятор, названное впоследствии диаграммой И. А. Вышнеградского. Правильный инженерный подход к реше­нию задачи дал возможность И. А. Вышнеградскому полностью уяснить динамику работы машины, снабженной регулятором Д. Уатта, и показать, что машина и регулятор во время работы образуют единую систему.

Труды И. А. Вышнеградского оказали большое влияние на все дальнейшие работы в области регулирования во всем мире и пре­жде всего в России. Поэтому его по праву считают основополож­ником классической теории автоматического регулирования.

В 70-е годы XIX в. правильность решения вопросов устойчи­вости регулирования методом малых колебаний с использованием только линеаризованных характеристик научно еще не была до­казана.

В 1892 г. была опубликована работа талантливого ученого А. М. Ляпунова «Общие задачи об устойчивости движения». В ней строго обоснованы те случаи, когда решение дифференциальных уравнений методом малых колебаний дает правильное представле­ние об устойчивости системы, а также рассмотрены случаи, в ко­торых указанный метод не может дать такого ответа. Работа А. М. Ляпунова имела огромное значение для многих областей механики и физики. В теории автоматического регулирования она является фундаментом, на который опираются многие труды в этой области.

В 80-е годы прошлого столетия интерес к проблеме регулирова­ния паровых поршневых машин стал постепенно ослабевать, и основное внимание переключилось на автоматическое регули­рование гидравлических турбин, получивших большое распро­странение.

Обычные регуляторы прямого действия, оказывающие непос­редственное воздействие на органы управления, на этих машинах не могли быть использованы, так как для их работы требовались значительные усилия. На гидравлических турбинах стали уста­навливать регуляторы с особым механизмом, называемым серво­двигателем (рис. 5). Такие регуляторы получили название регу­ляторов непрямого действия.

Работы И. А. Вышнеградского и А. М. Ляпунова подготовили базу для появления трудов проф. А. Стодолы, опубликованных в 1893 и 1894 гг.

Рассматривая системы регулирования, включавшие чувстви­тельный элемент, серводвигатель, трубопровод и др., А. Стодола свел задачу регулирования к одному линейному дифференциаль­ному уравнению высокого порядка (до шестого включительно).

С помощью этого уравнения А. Стодола дал практические реко­мендации по обеспечению-устойчивости работы системы автомати­ческого регулирования. Теоретические выводы были им прове­рены на действующих установках и полностью подтвердились.

Работы А. Стодолы завершили развитие классической теории автоматического регулирования, распространив идеи И. А. Выш­неградского на всю область непрямого регулирования.

В 1905 г. в Берлине появилась книга М. Толле «Регулирование двигателей», которая вскоре была переведена на русский язык. В этой работе изложена в основном линейная теория автомати­ческого регулирования.

С 1903 г. вопросами регулирования машин стал заниматься Н. Е. Жуковский. Его лекции по курсу «Теория регулирования хода машин», прочитанные в МВТУ в учебном 1908—1909 году, были изданы в 1909 г. и вскоре получили широкую известность в России.

В этот период на многих зарубежных и отечественных заводах было организовано производство двигателей внутреннего сгорания.

Регулирование частоты вращения вала двигателей внутреннего сгорания осуществлялось в основном четырьмя способами.

Регулирование пропусками подачи топлива использовали глав­ным образом для маломощных двигателей, для которых вопросы экономичности и равномерности работы не имели существенного значения. Регуляторы, работающие по такому принципу, были наиболее просты, не требовали особой точности изготовления де­талей и допускали широкие диапазоны настройки. Конструктивно их выполняли в виде качающихся маятников, или деталей, со­вершающих возвратно-поступательное движение. Толкатель 5 такого регулятора (рис. 6) при помощи серьги 3 и шатуна 2 со­вершает возвратно-поступательное движение, создаваемое эксцен­триком 1, который имеет частоту вращения, пропорциональную частоте вращения коленчатого вала двигателя, и передает движе­ние толкателю 5, а через него плунжеру 6 топливного насоса. При левом положении толкатель 5 не соприкасается с плунжером 6 и передвигает последний лишь в правой части своего хода. Однако незадолго до соприкосновения с плунжером толкатель 5 набегает кулачком на неподвижный упор с уступом 4 и отклоняется на не­который угол от направления движения. К упору толкатель воз­вращается под действием силы тяжести. При увеличении частоты вращения вала двигателя скорость движения толкателя 5 и угол отклонения увеличиваются, поэтому при определенном максималь­ном скоростном режиме толкатель 5 не успевает вернуться к пер­воначальному направлению движения и проходит мимо плун­жера 6, что приводит к пропуску подачи топлива и вспышки в цилиндре двигателя (см. на рис. 7 цикл II, такт 3).

Регулирование изменением состава смеси путем изменения ко­личества подаваемого топлива или воздуха осуществлялось изме­нением высоты или продолжительности подъема соответствую­щих клапанов.

Регулирование изменением количества подаваемого топлива в цилиндр выполнялось с помощью обратного перепуска во впуск­ной патрубок уже засосанной горючей смеси или с помощью дрос­селирования смеси в период всего хода всасывания.

Регулирование с помощью изменения состава смеси и ее количе­ства представляет собой совокупность двух предыдущих способов.

При больших нагрузках регулирование осуществлялось измене­нием состава смеси, а при пониженных нагрузках — изменением количества смеси.

Последние три способа регулирования осуществлялись с по­мощью регуляторов прямого действия типа Уатта.

Трудности, связанные с созданием надежных регуляторов, возникшие в 60-х годах прошлого столетия, привели к тому, что в конце XIX и начале XX вв. многие заводы, выпускавшие дви­гатели внутреннего сгорания, предпочитали получать регуляторы готовыми от заводов, специализировавшихся на их производстве и имевших, следовательно, больший опыт, тем более что регуляторы этих заводов были дешевле и надежнее в работе.

К таким заводам относится, например, немецкий завод Янс (Iahns—Regulatoren—Geselschaft m. b. H.), выпускавший центро­бежные регуляторы с вертикальными валиками и с горизонтально расходящимися грузами (рис. 8).

При некоторых условиях работы двигателей внутреннего сго­рания (например, в насосных и электрогенераторных установках) необходимо в небольших пределах изменять частоту вращения вала от руки, воздействия на автоматический регулятор. В упомянутых регуляторах это осуществлялось при помощи дополнительной наружной пружины (рис. 9). Натяжение пружины в небольших пределах могло быть изменено обслуживающим персоналом во время работы двигателя.

В 1898 г. на Петербургском двигателестроительном заводе братьев Нобель (ныне «Русский дизель») был сконструирован и в 1899 г. построен нашедший промышленное применение двигатель с воспламенением от сжатия. Схема топливного насоса и автомати­ческого регулятора этого двигателя представлена на рис. 10.

Такая система регулирования подачи топлива хорошо зареко­мендовала себя в эксплуатации и продолжительное время исполь­зовалась на различных двигателях.

В 20-х годах текущего столетия отечественные и иностранные заводы уже делали попытки создания облегченных конструкций дизелей этого типа и установки их на транспортные агрегаты и, в частности, на трактор и автомобиль.

При использовании дизеля на транспорте необходимо воздей­ствие регулятора по крайней мере на двух режимах: номинальном скоростном, когда регулятор не допускает чрезмерного повышения частоты вращения вала в случае снижения нагрузки, и при холо­стом ходе на минимальном скоростном режиме. Естественной и этих условиях была идея установления на двигателе двух регуля­торов, каждый из которых срабатывал бы на указанных выше ре­жимах (дизель МАН 100/110).

Однако установка двух регуляторов не могла быть признана удовлетворительной, поэтому были предприняты попытки сов­местить оба регулятора в одном агрегате, как это. выполнено в ди­зеле МАП 80/90 (рис. 11).

В конструктивном отношении более простым и компактным оказался автоматический регулятор, показанный на рис. 12. Автоматические регуляторы такого типа,, называемые двухрежимными, применялись на автомобильных дизелях, например на дизелях ЯАЗ-204 и др.

При двухрежимном регулировании двигатель в интервале между максимальным и минимальным скоростными режимами находится под управлением только водителя. В этом случае для полдержания заданного промежуточного скоростного режима водитель вынужден был часто прибегать к ручному регулирова­нию скорости (непосредственно воздействовать на рейку топливного насоса). Появившиеся в начале 30-х годов нашего столетия всережимные регуляторы свободны от указанного недостатка.

Одним из первых всережимных автоматических регуляторов был регулятор, установленный на двигателе «Юнкере» (рис. 13). Эта схема регулятора настолько хорошо зарекомендовала себя в работе, что ее используют и до настоящего времени с небольшими усложнениями, связанными с увеличением диапазона регулируе­мых режимов (дизели В-2, Д-6 и др.), большей компактностью конструкции ИТ. п.

Несколько позже появился так называемый пневматический всережимный регулятор (рис. 14), в котором для регулирования использовали разрежение во всасывающем трубопроводе двигателя.

Изменяются системы регулирования и у тяжелых стационар­ных двигателей. В конце 20-х годов Коломенский завод им. В. В. Куйбышева и завод «Русский дизель» приступили к изго­товлению автоматических регуляторов непрямого действия, а в конце 30-х годов некоторые фирмы, главным образом американ­ские (например, фирма «Вудворт» и др.), стали специализиро­ваться на выпуске более компактных регуляторов непрямого дей­ствия.

Регуляторы новых конструкций были сложнее прежних, но обеспечивали значительно более высокую точность регулирова­ния, их удобно и легко было настраивать на требуемый скорост­ной режим.

В настоящее время двигатели внутреннего сгорания (дизели) широко используют для привода генераторов переменного тока, для которых требуется повышенная точность поддержания задан­ной частоты при всех нагрузках. Необходимость дальнейшего повышения качества процесса регулирования потребовала от со­здателей автоматических регуляторов поиска новых путей реше­ния этой задачи. Существенные результаты были получены за счет объединения в одном автоматическом регуляторе по крайней мере двух принципов регулирования: принципа Ползунова— Уатта с принципом братьев Сименс или принципа Ползунова— Уатта с принципом Понселе. Такие автоматические регуляторы получили название двухимпульсных. Испытания двигателей, снабженных двухимпульсными регуляторами, показали перспек­тивность выбранного направления.

Многие конструкции автоматических регуляторов снабжаются устройствами, обеспечивающими возможность дистанционного управления двигателями. Все больше проявляется тенденция сосре­доточения в автоматическом регуляторе двигателя по возможно­сти большего числа различных автоматических приборов. Напри­мер, некоторые автоматические регуляторы кроме устройств для поддержания заданного скоростного режима имеют устройства по ограничению нагрузки, корректированию внешней характе­ристики двигателя, контролю давления в системе смазки, измене­нию угла опережения впрыска при изменении частоты вращения коленчатого вала и по некоторым другим параметрам. Процесс сосредоточения автоматических приборов в одном агрегате будет, по-видимому, продолжаться и впредь.

Серьезных успехов в развитии теории автоматического регу­лирования и управления добились советские ученые. В 1938— 1939 гг. были опубликованы работы сотрудника Всесоюзного элек­тротехнического института А. В. Михайлова, явившиеся началом весьма широкого применения новых — частотных методов в автоматическом регулировании. Теория автоматического регули­рования и управления получила дальнейшую всестороннюю и глубокую разработку в трудах Б. Н. Петрова, В. А. Трапезни­кова, В. В. Солодовникова, Я.З. Цыпкина, М. А. Айзермана и многих других.

В Центральном котлотурбинном институте им. Ползунова (ЦКТИ) под руководством И. Н. Вознесенского была разработана теория связанного прямого и непрямого регулирования и найдены условия автономности.

Советские ученые значительно обогатили науку в области ис­следования устойчивости и качества различных нелинейных систем автоматического регулирования. Здесь можно назвать труды А. А. Андронова, Б. В. Булгакова, Н. Н. Баутина, А. Г. Майера, А.И. Лурье и многих других. На основе теории автоматического регулирования и управления, на базе опыта, накопленного чело­веком в различных областях техники, развивалась общая теория автоматики, получившая название технической кибернетики. Это — одно из направлений новой фундаментальной науки — кибернетики, науки об управлении в технике, природе и обществе.

Работы по общей теории автоматики выдвинули советскую науку в этой области на одно из первых мест в мире: первый ме­ждународный конгресс по вопросам автоматического управления проходил в 1960 г. в Москве, и в организации его ведущее место занимали советские ученые.

Исследования в области общей теории автоматики сопрово­ждались разработкой и анализом конкретных задач теории авто­матического регулирования двигателей внутреннего сгорания. Вопросам устойчивости и качества работы систем автоматического регулирования быстроходных транспортных дизелей посвящен ряд работ, выполненных в научно-исследовательском автомотор­ном институте (НАМИ) при участии и под руководством проф. Г. Г. Калиша. Эти работы имели большое значение для двигателе- строения. Под руководством проф. Н. Н. Настенко были разра­ботаны всережимные механические регуляторы, получившие широкое распространение.

В Центральном научно-исследовательском дизельном инсти­туте (ЦНИДИ), Центральном научно-исследовательском инсти­туте топливной аппаратуры (ЦНИТА), многими двигателестроительными заводами и вузами ведутся работы по созданию более совершенных автоматических регуляторов.

В области автоматического регулирования двигателей особо следует отметить работы профессоров А. М. Каца, М. И. Левина,

И. Толшина, И. И. Кринецкого, А. А. Грунауэра, Д. X. Мо­розова, Н. Н. Настенко, в области двухимпульсного регулирова­ния — Е. С. Ковалевского и др.