普遍認(rèn)為最早應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程的控制器是詹姆斯·瓦特(1736-1819年)1788年應(yīng)用于蒸汽機(jī)的飛球式調(diào)速器。下圖展示了飛球式調(diào)速器的工作原理:假定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在平衡狀態(tài),兩個(gè)重球在與中心軸成某一給定角度的錐面上圍繞中心軸旋轉(zhuǎn),當(dāng)蒸汽機(jī)負(fù)載增大時(shí),它的速度減慢,兩個(gè)重球下跌到更小的錐面上旋轉(zhuǎn),引起杠桿運(yùn)動(dòng)打開(kāi)蒸汽室主閥(執(zhí)行機(jī)構(gòu)),從而增加進(jìn)入的蒸汽量,以恢復(fù)至之前的速度。因此,球與中心軸的角度是用來(lái)控制輸出速度的。
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飛球式調(diào)速器被認(rèn)為是控制發(fā)展史上的一個(gè)里程碑,飛球式調(diào)速器并不是瓦特發(fā)明的。關(guān)于應(yīng)用離心力控制速度,科學(xué)家惠更斯(1629-1695年)和胡克(1635-1703年)都曾鉆研過(guò)并設(shè)計(jì)了利用離心力控制速度的裝置。
到18世紀(jì),在蒸汽機(jī)出現(xiàn)之前,離心力式調(diào)速器已經(jīng)在風(fēng)車(chē)上被大量應(yīng)用。風(fēng)車(chē)技術(shù)人員開(kāi)發(fā)了許多新裝置,不過(guò)他們大多是工程師而不是科學(xué)家, 因此留下的文獻(xiàn)記錄很少。瓦特對(duì)蒸汽機(jī)的改進(jìn)始于1763年,當(dāng)時(shí)他在格拉斯哥大學(xué)幾位教授的幫助下,在大學(xué)里開(kāi)設(shè)了一間小修理店。他修理了學(xué)校的一臺(tái)紐科門(mén)蒸汽機(jī),但當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的效率很低。此后,瓦特對(duì)蒸汽機(jī)進(jìn)行了一系列重大改進(jìn):將冷凝器與汽缸分離,采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的曲柄傳動(dòng)系統(tǒng),發(fā)明了雙向汽缸、平行運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)等。直到1788年,瓦特從其合伙人博爾頓處了解到已經(jīng)在風(fēng)車(chē)中廣為應(yīng)用的飛球式調(diào)速器,并意識(shí)到可以將它改進(jìn)后用于蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速控制,以保證蒸汽機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行,于是發(fā)明了采用飛球式調(diào)速器的蒸汽機(jī)。
1790年左右,佩里埃兄弟設(shè)計(jì)的調(diào)速器中引入了PID的積分作用。他們使用一個(gè)液壓裝置,在裝置中,流入容器的液體量和速度成比例關(guān)系,而且蒸汽閥由液位控制。1845年,西門(mén)子兄弟通過(guò)差速齒輪引入了積分作用。西門(mén)子兄弟還基于慣性輪引入了微分作用。自此調(diào)速器成了蒸汽機(jī)不可分割的一部分, 從18世紀(jì)末到今天,調(diào)速器也得到了發(fā)展。
蒸汽機(jī)的出現(xiàn)開(kāi)辟了人類(lèi)利用能源的新時(shí)代,使人類(lèi)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器大生產(chǎn)。 到1868年,約有75000臺(tái)飛球式調(diào)速器在英國(guó)使用。最初的飛球式調(diào)速器存在的主要問(wèn)題是:只能在一個(gè)運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)精確控制,即只能在小負(fù)載變化中運(yùn)行。用現(xiàn)在的話說(shuō),就是當(dāng)負(fù)載變化較大時(shí),控制存在余差。