所有人只要一谈起轨道交通，几乎无一例外地都要提及瓦特发明的蒸汽机，这是因为它在动力工程学中所占的地位不可动摇。实际上，蒸汽机的完善成型经历了一段相当漫长的时间。最早的蒸汽机不仅运行效率低下，而且没有解决传动机械的转速稳定及其调节技术问题，因而无法直接推广应用于工业领域。从1765年到1790年，瓦特对原有的蒸汽机进行了一系列的改进和技术发明。需要指出的是，在早期蒸汽机得到推广应用中占有重要技术地位的离心式调速器是动力机械运动控制的重要发明成就。由蒸汽驱动的转动机械转速控制的数学描述并不复杂：

式中，Mz、Mf分别为蒸汽机输出的转矩和负载力矩；Q、P、ρ分别为蒸汽流量、压力和密度；η为蒸汽机工作效率；ω为蒸汽机所带动的转动机械角速度。

当角速度ω（rad/s）采用工程上常用的转数n（r/min）来表示时，则式（1-2）可以转化为

从式（1-3）中可以看出，Mz、Mf、Q、P、ρ都是影响转动机械转速的参数（变量），其中Q又是Mz、Mf、P、ρ的参变量，因此，只要改变流量Q的大小即可有效控制（调节）转数n。这就是瓦特发明离心调速器的基本理论依据。

瓦特掌握了由蒸汽驱动的转动机械转速的形成原理，而且还领悟到，仅凭式（1-3）的描述是不够的，关键的问题还在于如何实现对转速的检测并实时地反馈给蒸汽调节阀。这就是瓦特发明离心调速器的绝妙之处和天才之举。瓦特的天才就在于他先于别人发明了离心调速器的原理模型，并发现了该模型的理论原理。

工作主机在转速的带动下，转速检测轮的转速就与工作主机的转速存在对应关系。当转速升高时，两个对称“离心飞摆”的转速加快，在离心力增大的作用下偏离转轴，于是向下拉动上端的套筒，致使杠杆的右端上抬，减小蒸汽调节阀阀门开度，进而减小了流入蒸汽机工作室的蒸汽流量，工作主机的转速随之下降。反之，当转速降低时，两个对称“飞摆”的转速减慢，在离心力减小的作用下向转轴靠近，于是向上提升上端的套筒，致使杠杆的右端下推，增大了蒸汽调节阀阀门开度，进而增加流入蒸汽机工作室的蒸汽流量，工作主机的转速随之升高（见图1-34）［1］。

图1-34　瓦特发明的离心调速器

（a）原型图；（b）调速器原理图

运用经典控制理论就能够对离心飞摆的速度检测与调节做出非常完美的解释，离心调节器能够很好地实现转速的比例与积分调节。

也就是说，当离心飞摆随着机械转速的变化而改变套筒的上下位置时，就能够使蒸汽调节阀阀门根据机械传动结构的比例关系进行调节开度，同时还能够利用离心飞摆的偏差信号来克服调节过程中的机械转速的静态偏差，最终实现比例积分调节。其传递函数为

(www.daowen.com)

式中，K0为比例传递系数；Ti为积分传递系数；s为拉普拉斯算子。

正是因为瓦特发明了离心飞摆调速器，制造出世界上第一台具有实用价值的蒸汽机装置。从此人类迎来了利用能源的新时代，并标志着工业革命的开始。后人为了纪念这位伟大的发明家，把功率的单位定为“瓦特（W）”。也正因为瓦特在分析与描述蒸汽机速度调节工作原理过程中，通过天才构思才发明出“离心飞摆调速器”，并形成了一种全新的比例/积分调节方法，为后续经典控制理论的形成创造了良好的理论与实验基础。

当然，当时的瓦特并没有明确提出调速器的传递函数表达式，但是毋庸置疑，瓦特已经“潜意识”地将这种传递函数关系应用于调节器的发明创造之中。之后的经典控制理论最早就是从瓦特调速器的原理中得到了极为重要的提示与启发［1］。

有了瓦特的蒸汽机，加上与其伴生的调速器的出现，才真正使得早期的火车车辆制造技术具有实用价值，同时也是人类第一次迈出了工业自动化技术的脚步。这也是世界第一次工业革命的实质性内容——机械工业革命。

第一次工业革命使人类由200万年来以人力为主的手工劳动时代跨入了近代机器大生产的蒸汽机械时代，标志着工业发展达到历史上的第一座顶峰。随着蒸汽机广泛地应用于工业生产，使其成为几乎所有机器的动力装置，从而改变了人们的生产和生活方式。

人类的工业技术并没有停留在机械技术的创新上。紧随其后，1831年，法拉第（Faraday）通过一连串重大的实验发现电磁感应现象，进而提出电磁感应定律，建立了电磁感应学说，并根据电磁感应原理亲自发明（制作）了世界上第一台原始发电机——法拉第圆盘发电机。

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它揭示了电、磁现象之间的相互联系。而且，后人接连发明了各式各样发电机与电动机。这也证明了基础理论对技术发明的重要指导意义——一项科学基础理论就是科技发展的新起源。从此开启了人类第二次工业革命，第二次工业革命就是以人类进入“电气时代”为背景的。

随后的电力、内燃发动机、新材料、电报和无线电等新技术突显了其在第二次工业革命中的重要作用。于是，这些现代化的技术开始登上历史舞台，为当今高科技条件下的生产与生活方式奠定了基础。同时，也为后续电气机车的问世提供科学理论基础和技术创新思维。

第三次工业革命始于第二次世界大战后的初期，20世纪50年代中期至70年代初期达到高潮，20世纪70年代以后进入一个新阶段。第三次工业革命促使全球信息和资源交流变得更为迅速，大多数国家和地区都被卷入全球化进程之中，世界政治经济格局进一步确立，人类文明的发达程度也达到空前的高度。电子计算机、信息与数字通信技术就是其标志性的科技成果。

第三次工业革命引起生产力各要素的变革，从此加强了产业结构非物质化和生产过程智能化的趋势，实现了生产与生活的现代化。随着电子计算机技术的发展和广泛运用，逐渐形成了各种“人-机控制系统”，加速生产自动化、办公自动化和家庭生活自动化的实现。这预示着人类社会将从机械化、电气化的时代进入另一个更高层级的自动化时代。

第四次工业革命始于21世纪，是以人工智能、清洁能源、机器人技术、量子信息技术、可控核聚变、虚拟现实以及生物技术为主的技术革命。这是一场全新的绿色工业革命，它的实质和特征就是大幅度地提高资源利用率。在这第四次绿色工业革命中，中国第一次与发达国家站在同一起跑线上。

在梳理人类科技进步的历程中，人们已经习惯采用“工业革命”来划分进步发展的每个阶段。实际上，所谓“工业革命”，就是人类的科学与技术革命。后人应该从“工业革命”（科技革命）的实质上来认识其对自然界、社会与人类自身所产生的“革命性影响”［1］。毫无疑问，科技进步和新技术的出现所带来的变化将影响整个世界。

说到底，如今轨道交通具有如此相对完善的技术就是世界屡次出现的工业革命所催生的结果，其间更离不开诸多科学理论的引导和技术创新的支持。