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Régulation automatique.
La présente invention a pour objet un principe de régulation automatique, applicable à tout système nécessitant une opération de ce genre, et plus particulièrement avanta- geuse lorsqu'il s'agit de régler un phénomène tel que ou dépendant de la circulation d'un fluide ou d'un agent physi- que, ou la vitesse ou le mouvement d'un système mécanique doué d'inertie.
Suivant l'invention le phénomène à régler est asservi à un deuxième phénomène indépendant de lui, de même nature ou de nature différente, mais dont les états transi- toires obéissent à des relations de même forme.
@
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L'application du principe ci-dessus se fait de deux manières différentes exposées ci-après. a) Le facteur caractéristique de dépendance à l'égard du temps est sensiblement le même pour le phénomène à régler, et pour le phénomène d'asservissement, (c'est-à- dire par exemple les deux phénomènes ont même période propre, ou même inertie relative.)
Afin de permettre de bien comprendre ce qui se passe dans ce cas, on supposera pour simplifier, mais sans que cela diminue la généralité de l'invention ou limite en aucune ma- nière son champ d'application, qu'il s'agit de régler un phé- nomène dont l'établissement obéit à une loi de la forme, e = #o(1 - e-#035t) et dont la suppression obéit à une loi de la forme,
= #.e-#035t, c'est-à-dire dont l'état transitoire peut être représenté par e = eo( 1 ¯ e-#035t) (1) Des exemples de phénomènes obéissant aux lois ci-dessus, sont fournis par l'établissement ou la suppression d'un courant dans un circuit électrique non oscillatoire, ou par l'échauffement ou le refroidissement d'une enceinte soumise à l'action d'une source de chaleur.
Suivant l'invention on asservit le phénomène ca- ractérisé par la grandeur # à un deuxième phénomène carac- térisé par la grandeur #' (indépendant du premier), de même nature, ou de nature différente dont l'état transitoire obéit à la loi (1) et qui s'écrit alors #' =#'o (1 ¯ e-t) (la) Si aux deux grandeurs indépendantes # et e' on lie une grandeur auxiliaire, dont une valeur E est constamment
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proportionnelle à #, et dont une autre valeur E' est constam- ment proportionnelle à #', il est facile de voir qu'à une constante près, Eo, (additive ou soustractive, peu importe), la somme e = E + Eo + E' (2) est proportionnelle à la somme,
# + d# + d2#/d+2 dt dt2
D'ailleurs en choisissant convenablement, les coefficients de proportionnalité,' d'une part entre 9 et E, d'autre part entre #' et E', et enfin en déterminant la constante Eo, expérimentalement lors de la mise en route d'une installation à régler, on obtient aisément pour e une quantité proportionnelle à la somme A d2# + B d # + C#
EMI3.1
A d + $ âtg + C 6 e = f (t) à A d2#/dt2 + B d#/dt + C e (3) Pour qu'il y ait réglage, autour de la valeur eo, et que cette valeur soit stable, il faut, comme on sait, que la gran- deur auxiliaire f (t), s'annule pour #o, et qu'elle agisse sur l'organe de réglage, (directement ou par l'intermédiaire d'un servo-moteur peu importe) dès qu'elle s'écarte de zéro,
de ma- nière que cet organe tende constamment à la ramener à zéro. b) Le phénomène d'asservissement, caractérisé par la grandeur #' évolue plus vite dans le temps que le phénomène à régler, caractérisé par la grandeur #; dans ce cas, le régime transitoire du premier, obéit par exemple à la loi #' = #'o (1¯ e-#035't) (4) tandis que le régime transitoire du second obéit, par exemple e = 60 (1 ¯ e-t) (5) avec #035' > #035 (6)
Comme plus haut, suivant l'invention, aux deux grandeurs indépendantes # et #' on lie une grandeur auxiliaire - e, dont une valeur E est constamment proportionnelle à #,
et @
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dont une autre valeur E' est constamment proportionnelle à #' et on applique à l'organe de réglage une action proportion- nelle à la somme algébrique e = E + E' (7) ou éventuellement à la somme algébrique e = E + E' + En (8)
Dans les relations (7) et (8) les signes des dif- férents termes ne sont pas nécessairement les mêmes, et seront déterminés expérimentalement lors de la mise en route de l'installation à régler ;
de même le terme E" peut être constant ou variable, et, dans ce dernier cas, dépendre d'un troisième phénomène, caractérisé par la grandeur #", dont le régime transitoire obéit à une loi de même forme que e et #', ou (pour ce terme qui n'introduit en quelque sorte qu'une correction de second ordre une différence seconde) à une loi différente.
Il est évident qu'en l'absence du phénomène d'asser- vissement (et éventuellement de deux ou plusieurs phénomènes d'asservissement), l'organe de réglage serait sollicité par une action correspondant uniquement à e = E, c'est-à-dire en définitive, dépendant uniquement de la grandeur à régler. On sait que dans de telles conditions le réglage n'est pas sa- tisfaisant et s'effectue d'autant plus mal que le système à régler présente une plus grande inertie (le terme inertie étant pris dans son sens le plus général et s'appliquant tant au système de mesure qu'au système à régler).
Par l'in- troduction du phénomène d'asservissement, conformément à l'invention, l'organe de réglage est sollicité par une action correspondant à e = E + E', (ou éventuellement à e = E + E' ¯ E") et par conséquent réellement plus énergique que dans le cas précédent, par contre la grandeur #' attei- gnant plus vite que la grandeur # un régime d'état permanant,
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la somme e = E + E' atteint la limite fixée d'avance et correspondant auxconditions d'équilibre du système, avant que la grandeur # ait atteint sa valeur de réglage #o, c'est- à-dire :
l'action de l'organe de réglage cesse, ou même change de sens, avant que # ait atteint #o, cette dernière valeur n'étant plus atteinte alors que grâce, précisément à l'inertie du système.
On voit par ce raisonnement sommaire que tout se passe comme si l'organe de réglage obéissait à une action qui tient compte des valeurs à venir de la grandeur à régler ou qui "anticipe" sur les valeurs de cette grandeur.
Le principe de l'invention ayant été clairement ex- pliqué quelques exemples d'application non limitatifs donnés ci-après, permettront de mieux comprendre sa portée.
On envisage successivement son application à la régu- lation de la température d'un four, puis à celle de la vitesse d'une machine.
1 ) Régulation d'un four.
Soit à régler à la valeur #o, la température de l'enceinte 1 à l'intérieur d'un four 2, convenablement calo- rifugée, chauffée par exemple, par une résistance électrique 3, alimentée par les deux conducteurs d'amenée de courant 4 et 5, à travers un interrupteur 6. Un couple thermoélectri- que 7 permet de contrôler en permanence la température # de l'enceinte 1, et fournit une force électromotrice E propor- tionnelle à #.
Suivant l'invention, on dispose un deuxième couple thermoélectrique 8, à l'intérieur d'une petite enceinte 9, chauffée par une résistance 10 ; couple 8 fournit une force électromotrice E' proportionnelle à la température #, de l'enceinte 9. On branche les deux couples 7 et 8 en série, (et éventuellement en série avec une pile fournissant une
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force électromotrice fixe Eo de sens convenable et on applique la force électromotrice résultante e = E ¯ E' (ou éventuellement e = E + E' ¯ Eo) aux bornes d'un instrument de mesure à déviation 11, par exemple un galvanomètre, de telle sorte que son aiguille 12 ferme un contact 12 - 13, dès que e atteint une limite supé- rieure es;
le contact 12 - 13 ferme alors le circuit d'un servo-moteur 14, qui provoque l'ouverture de l'interrupteur 6, supprime le courant de chauffage à la fois dans la résistan- ce 3 et dans la résistance 10; au contraire l'aiguile 12, ouvre le contact 12 - 13 dès que e atteint une limite infé- rieure ei, l'ouverture du contact 12 - 13 ayant pour effet la fermeture de l'interrupteur 6 et le rétablissement du courant dans les résistances de chauffage 3 et 10.
Dans l'exemple ci-dessus, la température #, de l'en- ceinte 1 à régler est asservie à la température #,, de la petite enceinte 9, c'est-à-dire à une grandeur de même na- ture, variant suivant les mêmes lois; mais cette restriction n'est pas nécessaire. Dans les explications données plus haut, on a pris en considération seulement les lois de variation des phénomènes associés, mais non leur nature.
En particulier dans l'exemple considéré sur la figure 1, l'invention prévoit la suppression du couple 8 de l'enceinte 9 et de la résistan- ce chauffante 10 et l'adjonction des organes ci-après re- présentés sur la figure 2 : bras 15 constitué par un bilame, porte à son extrémité libre le contact 13, et est soumis à la chaleur développée par une résistance 16, de telle sorte que l'aiguille 12 se déplaçant sous la seule action de la force électromotrice du couple 7, le contact 13 porté par le bilame 15 se rapproche de l'aiguille 12, sous l'action de la chaleur .engendrée par la résistance 16 ; il est facile de voir que ce
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système fonctionne exactement comme le précèdent.
Enfin, pour fournir un exemple d'un phénomène d'asservissement de nature entièrement différente, l'inven- tion prévoit, à titre de variante, le dispositif d'asservis- sement représenté sur la figure 3, et comprenant une capacité 17, chargée à travers une résistance 18 (ces deux organes étant choisis de telle sorte que la constante de temps du circuit "série" 17 - 18, ait une valeur appropriée); la tension aux bornes du condensateur 17, détermine un courant de fuite dans la résistance potentiométrique 19 et un cur- seur 20, permet de recueillir, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un amplificateur 21, une tension E' qui, ajoutée à la tension E fournie par le couple 7, agit sur l'équipage mobile de l'instrument de mesure 11.
En définitive on ne sort pas du cadre de l'inven- tion en réalisant l'asservissement par n'importe quel procédé caractérisé par l'introduction d'une action fonction du temps de même forme générale que celle du couple 7. Par exem- ple le dispositif de la figure 3, peut être remplacé par tout autre circuit électrique doué d'une constante de temps, (et obtenu en remplaçant la capacité par une inductance ou une inductance mutuelle, ou des combinaisons complexes de capaci- tés, d'inductances pures ou mutuelles, enfin de résistances, associées par exemple comme dans les cellules des filtres électriques "passe haut" ou "passe bas".
On peut de même, asservir la température #, dans l'enceinte 1, à la fois à l'action du couple 8, chauffé par la résistance 10, et à celle d'un troisième couple chauffé par une autre résistance telle que 10, (ces deux derniers couples étant montés en série ou en opposition), ou à la fois au couple 8, (dispositif de la figure 1) et à l'un des dispo- - sitifs des figures 2 ou 3. On peut aussi asservir &, à la fois @ -
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aux dispositifs des figures 2 et 3, (ces dispositifs agissant dans le même sens ou en sens inverse).
L'invention prévoit également la multiplication, par un facteur convenable, de l'action du couple 7 (ce qui peut se faire par exemple à l'aide d'un potentiomètre) et par un facteur différent, de l'action soit du couple 8, soit du bi- lame 15 soit du condensateur 17.
Enfin l'instrument de mesure 11, au lieu de fermer ou d'ouvrir le circuit de chauffage, peut agir sur la source, afin de faire varier d'une manière continue et graduelle le courant de chauffage dans la résistance 3, sans l'interrompre complètement.
La présente invention s'applique à la régulation de tout agent physique, ou de tout fluide, ou de tout phénomène dépendant de sa circulation, (ainsi dans l'exemple d'applica- tion considéré, la température #, dépend de la circulation de chaleur considérée comme agent physique, depuis la source constituée par la résistance 3, jusqu'au milieu extérieur à l'enceinte 1). Elle permet en particulier de régler le débit d'une conduite, la pression dans une enceinte, le niveau d'un réservoir, la tension, la puissance ou la fréquence d'un système électrique.
Elle s'applique également à la régulation du mouve- ment d'un système mécanique ainsi que le montre le dispositif ci-après, représenté sur la figure 4, concernant la régulation de la vitesse d'une turbine à vapeur.
2 ) Régulation de la vitesse d'une turbine à vapeur.
Soit (fig. 4) à régler la vitesse d'une turbine à va- peur 22, alimentée par une chaudière non représentée, au moyen d'une tubulure 23, dont l'admission est commandée par une vanne 24; l'arbre 25 de la turbine, entraîne (directement ou
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par l'intermédiaire d'engrenages, peu importe) un dispositif à force centrifuge 26, déplaçant une crémaillère. 27 dans un sens ou dans l'autre, selon que sa vitesse de rotation, est inférieure ou supérieure à une valeur fixée d'avance.
Suivant l'invention, une toute petite turbine 28, alimentée par une dérivation 29, de la turbine 23 (ou placée sur la tubulure d'échappement de la turbine 22) entraine un deuxième dispositif à force centrifuge 30, qui déplace une deuxième crémaillère 31. Les déplacements des deux crémail- lères 27 et 31, sont totalisées à l'aide d'un différentiel 32; l'arbre 33 portant la satellite tourne d'un angle propor- tionnel à la somme de ces déplacements, et agit (directement ou par intermédiaire) sur la vanne d'admission de la tubulure 23. L'introduction d'un déplacement initial (constante Eo con- sidérée plus haut) est très aisée à réaliser lors de la mise en route du système et correspond par exemple au calage ini- tial de l'arbre 33 dans une position déterminée.
En variante,l'invention ci-dessus peut être mise en oeuvre d'une manière différente: l'arbre de la petite turbine auxiliaire 28 et l'arbre 25 de la turbine 22 à régler, entral- nent chacun une magnéto, fournissant respectivement les forces électromotrices E' et E, considérées plus haut, auxquelles il est loisible d'ajouter, si cela est nécessaire, une force électromotrice initiale Eo; la force électromotrice résultan- te e = E + E' (ou éventuellement e = E + E' ,+ Eo) commande alors la manoeuvre de la vanne d'admission.
Bien que l'application ci-dessus ait été décrite en considérant une turbine à vapeur, il est évident qu'elle sub- siste sans aucune modification s'il s'agit d'une turbine hy- draulique (la tubulure 23 deviendrait le canal d'amenée) et même d'une machine tournante de nature absolument quelconque.
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Les exemples d'application décrits, montrent la grande généralité et l'extrême souplesse que présente le principe de l'invention, il doit donc être bien entendu qu'on ne sort pas de son cadre, quel que soit le phénomène à régler, dès que l'asservissement de celui-ci est lié à un deuxième phénomène, indépendant mais variant suivant des lois de même forme générale.