蒸汽机发明前后对比（瓦特为什么不算科学家）

科学家知道为什么却不知道怎么做，工程师知道怎么做却不知道为什么，而我，作为科学家与工程师的完美融合，既不知道为什么，更不知道怎么做。

这句话是我用了很久的个性签名。之所以喜欢这个让人哭笑不得的“名言”，因为它一句话就说明了科学与技术的区别。我们经常不经意的说科技如何，好像它们是彼此依存不可分割的整体，甚至日常聊天中几乎不会加以区分，但其实，科学与技术还真不是一回事，它们之间的纠葛从来也没停过，今天咱们就从第一次工业革命发展中的一桩小事，来聊聊科学和技术。

第一次工业革命的明星：瓦特

说到第一次工业革命，我们大多数人首先想到的就是瓦特吧，虽然他并不是蒸汽机的发明者，但是他对蒸汽机结构进行的诸多重大改进，的确大大加速了蒸汽机成为第一次工业革命核心力量的进程。比如他为了规避曲轴连杆系统的专利，设计了行星齿轮系统来完成气缸往复运动到曲轴旋转运动的转换，这样便可以带动更多的机械进行工作，因此让蒸汽机成为了名副其实的工业“原动机”；再比如，他发明了分离式冷凝器，创造性的解决了纽可门蒸汽机效率低下的问题，让蒸汽机效率一下子翻了三倍，还有双向气缸设计进一步提高了蒸汽机的效率，使其在往复运动的两个阶段都能做功，还有很多发明，在这就不一一列举了。

工作中的瓦特

从一个普通的仪器修理工，到第一次工业革命的头号技术大拿，瓦特绝对可以称得上是一位不世出的天才了，他和他的团队（主要是他的投资人博尔顿，以及另一位技术高手默多克）几乎垄断了当时蒸汽机这个产业，拥有绝对的影响力和话语权。否则现在我们所使用的衡量功率国际单位，也不能是“瓦特”（Watt）对吧。

当然了，这也是一把双刃剑，话语权过大同样也剥夺了同时代其余天才崭露头角的机会，比如可悲又可怜的那位真正的蒸汽机车之父：特里维西克，但这并不是我们今天要谈的重点，以后有机会咱再聊这位苦命的娃。

我们今天要说的，是他的另一个发明，飞球调速器，以及在飞球调速器之后迟到了近百年的自动控制理论。

飞球调速器的困惑

瓦特的飞球离心力调速器示意图

说起这个装置大家一定听说过，当初是瓦特为了解决蒸汽机的调速问题而发明的。它基本的工作原理是利用小球旋转的离心力作为反馈，来调整蒸汽机阀门的开度， 当蒸汽机的速度提高时，带动小球绕轴旋转，离心力作用会让小球上升，进而会带动机械装置关闭蒸汽机进气阀门，进气少了，蒸汽机速度就会下降，当蒸汽机速度过低时，离心力变小，小球又会降下来，于是进气阀门又会开启，蒸汽机的速度就又上来了，如此往复调节，即可将蒸汽机的速度控制在一定范围内。这个精巧的装置一般被公认为是世界上第一个带有反馈自动控制系统。但是这一次，瓦特的天才并没有让他彻底的解决这个问题，而更像打开了一扇未知的大门，门内世界的陌生且宏大，令他感到了之前没有过的困惑。

首先是想提高该装置的控制精度很难，这个装置只能将转速控制在一个较大的范围内，在这个范围内会周期性的波动，想了很多办法稳定它却收效甚微；另外，瓦特还发现，在飞球调速系统的应用过程中，这个装置很难做到稳定工作，蒸汽机运行的速度如果发生较大变化，飞球调速器的控制效果就变得不稳定了，蒸汽机的转速也就经常会出现莫名其妙的震荡；不仅如此，对不同特性的蒸汽机，此装置的设计，也像是玄学，小球的重量如何选择，支撑飞球的一对撑杆要多长才好，如何匹配不同类型的蒸汽机？这些问题，需要逐个进行设计和实验调整，这个过程更像是摸石头过河。

特里维西克和他的蒸汽机车

其实同时期关注和试图解决这个问题的工程师，也绝不止瓦特一个，但是试来试去还是收效甚微。看来这确实是让工程师们头秃的一个问题，这摸石头过河的日子一晃就过去了大半个世纪。幸好在这期间，蒸汽机技术的发展，比如高压蒸汽机等，以及蒸汽机应用领域的快速拓展（比如蒸汽机车：1801年特里维希克，蒸汽船：1807年富尔顿），而对控制精度的要求也没那么苛刻，现有装置凑合着用也不是不行，因此也就掩盖了这个不起眼的小问题，就像19世纪末物理学的两块乌云并没有影响大家对经典物理学大厦的自信一样。

富尔顿的明轮蒸汽船

外来的和尚会念经

事情的转机是在1868年出现的。这年，有一位叫做麦克斯韦的人，在工作的闲暇之余，突然对离心调速装置产生了兴趣，并做了一些思考，然后就发表了一篇叫做《论调速器》的论文（感兴趣看原文的话，请看本文末所附链接）。

麦克斯韦的《论调速器》扫描版

这篇论文可以说是对瓦特所打开的那个未知新世界的首次探索。在这篇论文里面，麦克斯韦分析了蒸汽机自动调速器和钟表机构的运动稳定性问题，他提出，不应该单独研究调节装置本身，而要把被调节的蒸汽机也作为系统的一部分进行整体分析，他还建立了整个系统的动力学微分方程，从方程解的稳定性角度来探讨调速器的稳定条件。

麦克斯韦以及他的封神之作

那你说这个人为啥这么牛，一个困扰了工业界半个多世纪的难题，让他茶余饭后工夫写就的一篇论文就指明了方向？因为他可不是一般人！而是大名鼎鼎的电磁学宗师，James Clerk, Maxwell。在他48年的短暂生命中，干这种高屋建瓴、仙人指路的事也不是第一次了，其中最出名的就是他集前人之大成，写出了优美简练的Maxwell方程组，经典电磁学的全部奥秘都包含在这四个方程中，这里说的前人也都是一等一的科学界人物，比如发现磁力线的奥斯特，发现电磁感应现象的法拉第等，他们各自都只窥探到真相的一角，但唯独他，直接解开了整块幕布。所用的武器就是数学！因为麦克斯韦特别擅长用数学来抽象出现象背后的规律。而之所以很少有人知道他对控制系统理论做出的贡献，是因为相对于他在电磁学上的成就来说，这个成就显得有点暗淡了。

控制理论登场（经典控制论）

回到咱们故事的主线，麦克斯韦因为这篇对控制系统稳定性研究的开创性论文，为后续的研究指明了道路，因此被后人认为是控制理论领域的开篇之作。后来他的学生劳斯（Edward John Routh）在这个基础上，得到了更一般性的判别方法，也就是自控原理课本中令人“讨厌”的劳斯稳定判据（因为劳斯阵列的表达式写起来比较麻烦）。

令人“讨厌”的劳斯判据，其实还是很有用的

也是在麦克斯韦之后，人们才意识到，之前看起来像一门玄学的控制系统设计，背后也是有着数学原理支配的，也是从这时候开始，控制理论作为一门独立的学科，得到了更多科学工作者和工程师的重视。其中意义重大的发展节点，我来带大家快速浏览一下：

传递函数的应用：传递函数是贯穿整个经典控制理论的一块基石。本来它只是提供了一种求解微分方程的简便方法，但是人们发现，把描述系统动力学规律的微分方程通过拉普拉斯变换后，可以抽象出动力学系统的实质，而与控制系统本身到底是属于什么物理域没什么关系了。这对于具有多个环节和复杂的信号传递关系的控制系统来说，真的是一把利剑！经典控制理论中几乎所有的方法，都是建立在系统传递函数的基础之上的。

频率分析方法：第二次世界大战，对武器控制系统跟踪的准确性和补偿能力的提出了新的要求，1932年，贝尔实验室的美国科学家奈奎斯特（H.Nyquist) 提出了从频域内研究系统的频率响应法（也是基于系统的传递函数），新分析工具的运用，大幅提高了军用控制系统的动态响应能力和静态准确度。

奈奎斯特（H. Nyquist）：频域分析法的先驱

在随后的1940年，他在贝尔实验室的同事，荷兰裔科学家伯德（H. W. Bode）发明了一种高效的频率特性表示方法，也就是我们常见的伯德图（学名叫做对数频率响应曲线），这种曲线非常方便的表示了一个系统对于不同频率信号的响应增益的变化，至今应用广泛，比如在对耳机等音频设备测试的时候所绘制的频响曲线就是采用了伯德图的形式。

伯德与伯德图（对数频率特性曲线）

根轨迹方法：1948年，一名叫做Evans的美国学者提出了一种求特征根的简单方法，在控制系统的分析与设计中得到广泛的应用。这个家伙是个天才，他对传递函数和特征方程的全新理解方式，学过自动控制理论的人应该都记忆犹新。根轨迹方法从复数的角度去处理控制系统的特征方程，得到了一整套分析系统特征根走向的方法，这种方法不仅能快速分析系统的稳定性问题，更为控制系统的设计提供了一种更加直观和便捷的新方法。

Evans与他的根轨迹理论

维纳与控制论：同样是在二战中从事枪炮控制方面研究工作，一位叫做诺伯特·维纳的美国犹太裔神童（18岁就在康奈尔大学取得了博士学位哦），在1948年出版的一本叫做《控制论：或关于在动物和机器中控制和通信的科学》一书，标志着经典控制论作为一门科学理论正式诞生！

诺伯特·维纳与他的控制论

技术发展模式的变化

我们刚才梳理了控制论的发展历程。不知大家有没有注意到，从瓦特发明他的离心调速器（1788年），到麦克斯韦首次用微分方程来描述调速器的控制问题（1868年），再到维纳最终建立经典控制论（1948年），这中间都是相隔了80年，但前后两个80年，控制系统设计，作为一门技术，它的发展模式可是截然不同的。

在前面这80年里，大家没意识到什么理论不理论的问题，只是凭着各自的心灵手巧，在具体的系统设计工作中不断的重复着设计，实验，改良，然后再重新设计，这样一个循环迭代过程。虽然工程师们的工作不可谓不细致，也不是没有创新，但缺乏有效的科学理论指导，这种探索和改良难免显得盲目和低效，也无法积累下有普遍意义的经验，因此在前面这80年间，虽然蒸汽机甚至内燃机本身得到了很大的发展和广泛的应用，但是其中涉及的控制机构，仍然是简陋且低效的。

瓦特时期的技术发展模式

但后面的这80年，控制技术的发展就像是开了挂一样，相比之前的那段爬行时期就，可以说是在飞了。不仅是控制效果得到了极大的改善，应用场景也是渗透到了几乎所有工业领域。在系统设计中遇到技术问题时，工程师并不是急于一头扎进具体的细节中，而是运用已有的控制理论方法（前面所提到的这些分析方法）去分析问题，如果能够获得解决，那么就验证了理论的正确性，如果不能得到解决，那就去发展和完善现有理论，或者干脆提出一个新理论。因此整个控制技术发展过程，几乎都与控制理论的革新与完善保持了同步，这样的发展模式，也是自第一次工业革命之后至今，几乎所有的人类技术发展的标准模式。

新的技术发展范式，科学理论的影响渗透在技术的各个环节，并从技术实践中更新理论知识

当然了，还有一点我们也不能忽略，那就是二战期间电子电路的发明和运用，让控制系统的发展更加的如虎添翼，否则即便是理论成熟了，也会因为缺少相应的实现途径而拖慢发展的进程。

写在最后

到这里，今天的故事就讲完了。一个小小的飞球调速器，就像是一滴水珠，折射出了控制理论的宏伟世界以及它曲折壮丽的发展历程。相信你一定能从这个故事中，体会到科学与技术这对风格迥异却相互依存的双生子之间的微妙关系。在下一篇故事中，我们继续把时间拨回到工业革命时期，从热机发展的角度再和大家聊聊技术与科学之间的恩怨。

麦克斯韦《论调速器》扫描版：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspl.1867.0055

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