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" Dispositif de réglage et d'asservissement @
La présente invention concerne, d'une manière générale, le réglage suivant une loi imposée à l'avance, d'une caracté- ristique de fonctionnement d'un appareil ou ensemble d'appareils.
Elle permet, en particulier, de maintenir constante une caractéristique quelconque d'une machine quelles que soient les conditions de fonctionnement de celle-ci, par exemple d'ob- tenir une régulation de vitesse, de courant, de tension, de fréquence, de pression, etc... Elle permet également d'imposer à l'une des caractéristiques d'un appareil des variations syn- chrones de celles d'une autre caractéristique de ce même appa- 'reil, et cela selon une loi donnée déterminée à l'avance, par exemple d'assurer la compression et l'expansion de volume dans une liaison téléphonique.
Elle a pour objet un dispositif permettant de régler une caractéristique de fonctionnement d'un appareil ou ensemble d'appareils suivant une loi déterminée à l'avance, comportant, comme des dispositifs connus établis dans le même but, un ré- gulateur proprement dit, un servo-moteur pouvant actionner ce régulateur, et un appareil fonctionnant sous l'action de la caractéristique de fonctionnement qui doit commander la régu- lation 'et pouvant effectuer la mise en action du régulateur par le servo-moteur, ce dispositif se caractérisant par le fait qu'il comprend un équipage mobile oscillant autour d'un axe et sur lequel peuvent agir, d'une part l'appareil de commande du régulateur, d'autre part, un effort antagoniste réglable, cet équipage effectuant, grâce à ses'oscillations, la transmission mécanique dans un sens convenable,
du mouvement du servo-moteur, qui tourne en permanence,,,au régulateur proprement dit.
Un tel dispositif présente; en particulier, les avantages suivants :
1.) La puissance demandée à l'organe régule peut être rendue pratiquement nulle.
2.) La puissance disponible pour la commande de l'organe de réglage peut être aussi grande qu'on le désire.
3.) La vitesse de fonctionnement des organes de réglage, ainsi que la loi de variation de la caractéristique faisant l'objet du réglage peuvent être déterminées à volonté.
Suivant une forme préférée de l'invention, léquipage mobile porte =un organe qui peut entrer en rotation dans deux sens opposés, selon que, par l'oscillation de l'équipage mobile,
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il entre en liaison avec l'un ou l'autre de deux éléments d'un couple d'organes mus par le serve-moteur, le mouvement de ro- tation dudit organe étant transmis au régulateur au moyen d' organes de transmission tels qu'ils restent en prise malgré les oscillations de ltéquipage mobile.
Les dessins annexés représentent, à titre d'exemples non limitatifs, un mode de réalisation de l'invention et deux ap- plications de celle-ci.
La figure 1 représente schématiquement l'ensemble d'un équipage mobile, du moteur de commande et de l'organe de ré- glage, conforme à l'invention.
La figure 2 représente une vue en plan de l'équipage mo- bile.
La figure 3 montre une variante du dispositif d'entraîne- ment de l'équipage mobile par le moteur de commande.
La figure 4 représente une application de l'invention à la régulation d'un phénomène électrique.
La figure 5 représente une application de l'invention à l'asservissement d'un régulateur électrique à une tension sui- vant une loi déterminée.
La figure 6 donne le schéma de principe de l'application du dispositif précédent à la réalisation de la compression ou de l'expansion de niveau d'une liaison téléphonique.
Dans la figure 1, M représente un moteur, absolument quelconque, d'axe XY, entraînant un plateau muni de deux cou- ronnes cylindriques S1 et S2, et tournant avec une vitesse quelconque, fixe ou variable.
L'équipage mobile comprend : une palette 1, oscillant autour d'un axe de rotation 00 ; tige X'Y', traversant la palette l, de telle sorte que son axe croise l'axe 00, et tour- nant librement dans deux paliers 3 et 4 aménagés dans la palet- te ; un galet 2, à friction ou à engrenages, fixé à l'extrémité libre de l'axe X'Y', et disposé entre les couronnes SI et S2 de telle sorte que ces couronnes produisent l'entraînement de l'axe X'Y', dans un sens ou dans l'autre suivant que le galet 2 vient en contact avec S1 ou avec S2;
un pignon denté ou à friction 5, de préférence sphérique pour une raison de fono- tionnement qui apparaîtra plus loin ( ou encore une vis tan- gente, ou tout dispositif équivalent, tel qu'une poulie d'en- traînement d'une courroie), fixé sur la tige X'Y', de telle sorte que son centre coïncide avec le point de croisementdes axes X'Y' et 00;
une roue dentée ou à friction 6 (,ou tout dis- positif équivalent, tel qu'une poulie entraînée par courroie ) venant s'engrener sur le pignon 5 et tournant autour d'un axe fixe X"Y", la disposition de la roue 6 et la forme du pignon 5 étant choisies de telle sorte que, quels que soient les mcuve- memts de la palette 1 autour de son axe 00, la tige X'Y' et le pignon 5 puissent tourner librement et entraîner la roue 6, sans qu'il en résulte aucun coincement ni aucune modification dans le rapport des vitesses de rotation, ( la solution repré- sentée sur la figure, comportant un pignon 5 de forme sphérique, répond plus particulièrement à cette nécessité ).
Le dispositif de commande comprend : un organe de contrôle extérieur, fonction de l'application envisagée, et dont on don- nera plus loin des exemples de réalisation, dont la fonction essentielle est de créer une force F, variant en fonction de la caractéristique à contrôler et appliquée en un point 7 de la palette 1, de telle sorte qu'elle ait pour effet de faire pivoter cette palette autour de son axe 00; un dispositif élas- tique, schématisé sur la figure 2 sous forme d'un simple ressort
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de rappel-8 ornant une force élastique s'opposant à F et per- mettant d'équilibrer cette force;
un organe de réglage 9, sché- matisé par une vis, permettant de faire varier à volonté l'ac- tion du dispositif élastique 8 et de placer la palette l en équilibre pour toute valeur utile de la force F; enfin des or- ganes de réglage, schématisés en 10, quelconques à priori, fonction du problème particulier à traiter, et dont on donnera plus loin des exemples de réalisation, commandés par l'axe x"Y" et agissant sur les caractéristiques de l'appareil à réguler.
Le fonctionnement de l'ensemble décrit est le suivant : L'organe 9 étant réglé de façon que la palette 1 se trouve en équilibre, sous l'action du dispositif élastique 8 et de la force F, lorsque la caractéristique à réguler a la valeur voulue, la force F varie si cette caractéristique varie ; l'équilibre de la palette 1 est alors détruit, le galet 2 vient en contact avec l'une des couronnes Si ou s2., suivant le sens du déréglage, et réalise ainsi le couplage mécanique du moteur M d'axe XY avec l'axe de réglage X"Y".
Par l'intermédiaire de la chaîne Si - Se - 2 - X'Y'- 5 - 6 - X"Y"-, le moteur entraîne les organes de réglage 10 dans un sens ou dans l'autre etmodifie dans le sens voulu les ca- ractéristiques de l'appareil à réguler.
En choisissant convenablement les diamètres de roulement des surfaces S1 Sa, le diamètre du galet 2, les caractéristiques de construction des engrenages 5 et 6 et celles des orga- nes de réglage 10, ainsi que les sens de rotation, on peut ré- aliser tous asservissements désirés, et régler à volonté la rapidité et la loi d'exécution des réglages, comme il ressort des descriptions particulières ci-après.
Si l'on utilise, comme c'est le cas de la figure 2, deux surfaces cylindriques concentriques S1 S2, de diamètres dif- férents Dl et D2, les vitesses de réglage correspondant à des variations de signes contraires de F sont différentes. Leur rapport peut être réglé à volonté en choisissant en conséquence le rapport des diamètres Dl et Da èt, par voie de conséquence, le diamètre du galet 2.
La figure 3 représente une variante du dispositif d'en- traînement, dans laquelle les deux surfaces S1 S2 sont remplacées par deux disques plans parallèles, perpendiculaires à l' axe de rotation XY. Dans ce cas, les réglages dans les deux sens sont symétriques et s'effectuent avec une même vitesse qui ne dépend que de la vitesse de rotation du moteur ? et des diamètres des surfaces S1 S2, ainsi que de celui du galet 2.
La figure 4 représente le schéma de la régulation de-la tension d'une machine génératrice de courant électrique, conti- nu ou alternatif) entraînée, à vitesse quelconque, par un moyen connu quelconque et débitant, sur un circuit extérieur, une charge quelconque, constante ou variable.
Dans ce cas, par mesure de simplification la'machine à réguler peut être utilisée comme moteur d'entraînement M, les surfaces motrices SI Se étant fixées.directement sur l'axe de la machine qui coïncide alors avec l'axe XY de la figure, ou entraînées par lui d'une façon quelconque.
L'organe de contrôle extérieur, créant la force F, est constitué par un électro-aimant 11, ou tout autre dispositif équivalent, dont la palette oscillante l constitue l'armature mobile.
La tension aux bornes de-la machine, dont on veut stabi- liser la valeur, excite l'électro-aimant 11, directement s'il
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s'agit d'une machine à courant continu, par l'intermédiaire d'un redresseur quelconque connu, s'il s'agit d'un alternateur.
Les caractéristiques de l'électro-aimant et du ressort 8 sont telles que la palette 1 se trouve en équilibre lorsque la tension aux bornes de la machine a précisément la valeur Uo désirée.
L'organe de réglage est constitué, par exemple, par un rhéostat 12, dont le curseur de réglage 13 est solidaire de l'axe X"Y", et qui peut être utilisé comme rhéostat de champ pour régler l'excitation de la machine à régler. Dans le cas d'un alternateur dont l'excitation est fournie directement par la tension alternative à travers un redresseur, on peut égale- ment utiliser un transformateur à couplage variable, d'un type connu approprié, dont le rotor est rendu solidaire mécanique- ment 'de l'axe X"Y" et qui agit sur la valeur de l'excitation de 1''alternateur.
Le fonctionnement de l'ensemble est alors le suivant :
Quand la tension aux bornes de la machine a la valeur voulue Uo, la palette 1 est en équilibre, le galet 2 ne porte sur aucune des surfaces S1 S2 et le curseur 13 du rhéostat 12 est immobile dans une certaine position.
Si, pour une cause quelconque, la tension prend, par ex- emple, une valeur U plus grande que Uo , l'équilibre de la pa- lette 1 est rompu en faveur de l'électro-aimant. Le galet 2 vient porter sur la surface S ( figure 1 ), le curseur du rhéostat est alors entraîné dans un certain sens que l'on choi- sit par construction tel que la tension aux bornes de la na- chine diminue. La tension U s'abaisse donc progressivement jusqu'au moment où elle reprend sa valeur initiale Uo,;le. ga- let 2 quitte alors la surface S2 et le curseur 13 s'arrête sur une nouvelle position de réglage correspondant au nouveau régime de la machine.
Si la tension U diminue au-dessous de Uo, la palette 1 bascule de l'autre coté, le galet 2 entre en contact avec S1 et les mêmes effets se produisent en sens inverse.
La tension U est donc maintenue constamment égale à Uo, quelle que soit la cause qui ait amorcé les variations : varia- tion de vitesse, variation de charge, etc...
Sur le même principe, on peut réaliser le stabilisation d'un dispositif mécanique ou électrique absolument quelconque.
On peut, par exemple, stabiliser la vitesse d'une machine tour- nante : l'électro-aimant 11 est alors remplacé par un régula- teur à force centrifuge, ou par tout dispositif équivalent sen- sible à une variation de vitesse, le rhéostat 12 étant rempla- cé par l'organe de réglage de la vitesse. On peut stabiliser, par exemple, la pression d'une chaudière ou d'une conduite d' eau : l'électro-aimant 11 est alors remplacé par un manomètre agissant sur la palette%, et le rhéostat 12, par un organe approprié agissant sur la pression à stabiliser, ( rhéostat de chauffage, vanne, servo-moteur, etc...)
La figure 5 représente une application de l'invention à l'opération électrique connue dans les transmissions télépho- niques sous le nom de " compression et expansion de niveau ".
Le problème technique qui se pose est le suivant :
Une source d'énergie électrique fournit un signal pri- maire sous une tension U, continue ou alternative, mais de ni- veau variable suivant une loi quelconque. Cette tension débite dans les circuits de liaison, pouvant comporter des lignes de transmission ( avec ou sans fil ), des amplificateurs et des atténuateurs, fixes ou réglables..1 l'extrémité réceptrice, on
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recueille un signal électrique sous forme dtune différence de potentiel V, de même type que la tension U, mais de niveau différent. On se'propose de faire en sorte que les variations de niveau de V suivent fidèlement celles de U, mais avec com- pression ou expansion des contrastes, suivant qu'on a affaire à un compresseur ou à un expanseur.
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Conformément à l'invention, la tension U attaque la gril- le,14 d'une triode 14'- 15 - 16 -, polarisée négativement par un dispositif potentiométrique a résistances ( 12 - 18 ) et une source de courant continu 17. Le circuit de plaque de la lampe, monté suivant un schéma classique, commande le relais 11 d'un dispositif conforme à celui qui est représenté sur la figure 4.
Le curseur 13 du potentiomètre 12 est rendu solidaire de l'axe X"Y" de la roue 6 du dispositif d'asservissement.
L'ensemble est réglé de telle sorte que ,lorsque la tension
U est nulle, le courant de repos de la lampe, ajusté par le ré- glage de la résistance 18 définissant la polarisation initiale, et agissant sur le relais* 11, réalise la mise en équilibre de la palette 1, le curseur 13 étant placé à l'extrémité inférieure
19 du potentiomètre 12; et que, lorsque U croît, l'augmentation du courant de plaque de la lampe produise l'embrayage du galet dans un sens tel que le curseur se déplace sur la résistance
12 dans le sens de 19 vers 30 et produise une augmentation de la* polarisation négative de la grille.
Le fonctionnement du dispositif est alors le suivant :
Lorsque U est nul, la palette 1 est en équilibre et le curseur 13 au repos en 19.
Lorsque U augmente, le courant de plaque crôft et déclan- che la rotation du curseur 13 dans le sens 19 - 20. Il en ré- sulte une augmentation de la polarisation négative, de la gril- le, donc une diminution du courant de plaque. Ce mouvement se poursuit à vitesse: constante ( fonction de la vitesse du moteur
M ) jusqu'au moment où le courant de-plaque de la lampe est revenu à sa valeur de repos, c'est-à-dire la tension de grille à sa valeur-initiale. A ce moment, l'équilibre de la palette 1 se trouve rétabli, le galet 2 débraye et le curseur 13' s'arrête sur une nouvelle position.
La nouvelle position du curseur 13 est liée à la valeur de la tension U par la relation':
U = R1 I où. R1 désigne la fraction de résistance du potentiomètre 12 comprise entre le curseur et l'extrémité de départ 19, et I le courant constant débité dans 12 et 19 par la source 17.
En construisant'la résistance 12 de telle sorte que R1 varie proportionnellement au déplacement x du curseur compte à partir de l'origine 19 :
R1 = k x ce déplacement est proportionnel à la tension U : x=k i et le curseur suit'linéairement les variations absolues de U.
En réalisant la résistance 12 de telle sorte que R1 varie suivant une loi logarithmique, par exemple :
U/I = R1 = R emx
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les déplacements d x du curseur autour d'un point d'abscisse x sont liés aux variations d U de la tension par la relation :
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dU .. m d x U d x - 1 dU m U
Dans ce cas, le curseur se déplace, en tous points, pro- portionnellement à la variation relative de U.
Plus généralement, en adoptant pour R1 une loi de varia- tion quelconque appropriée, on peut obtenir, pour les déplace- ments du curseur en fonction des variations de la tension, tou- te loi désirée, quelconque à priori.
En résumé, et dans tous les cas, le dispositif décrit par la figure 5 permet de réaliser l'asservissement fidèle de la
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position du curseur 13, e'est-à-dire de son axe moteur X" yin, et de tout appareil solidaire de cet axe, à la valeur de la tension U, suivant une loi quelconque imposée.
La vitesse de réglage est réglable à volonté en choisis- sant en' conséquence la vitesse de rotation du moteur N et les
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caractéristiques de la chaîne mécanique si sz - 2 - 5 - 6 - 10. Elle peut être la même pour les variations correspondant à U croissant et à U décroissant en utilisant des plateaux Si S2 parallèles, comme indiqué sur la figure 3 ; elle peut, au con- traire, être rendue plus grande dans un cas que dans l'autre, la constante de temps de réglage étant alors différente à U croissant et U décroissant, en utilisant deux couronnes cylin- driques s1 S2W de diamètres différents, le rapport des deux con- stantes de temps pouvant prendre toute valeur voulue en choisis- sant en conséquence le rapport des diamètres D1 et D2.
Dans l'exemple schématisé par la figure 4,la vitesse de réglage est plus grande à U croissant. L'inverse aurait lieu e'n intervertissant les positions du relais 11 et du ressort 8.
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Dans ce qui précède, on a admis 1>ip1iWtei=.ent que la ten- sion U était continue; en fait, l'appareil fo;etir.mc: de la l:-l façon si cette tension est alternative et d'amplitude suf- fism1te pour que la laMpe 14 - 15 - 16 fonctionne en détectrice linéaire. Dans 1e cas où -Ta' détection ne serait pas linéaire, le fonctionner nt resterait correct, mais 10s relations de pro- portioiinelité établies ci-dessus ne seraient plus rigoureuses.
Dans ce cas, un condensateur C est connecté en parallèle sur le relais 11 et court-circuite ce relais pour les courants al- ternatifs et les fluctuations rapides du courant détecté.
On peut également remplacer la lampe 14 - 15 - 16, uti- lisée à titre d'exemple pour concrétiser la discussion;- par un système détecteur quelconque, par exemple un redresseur sec cuivre-oxyde de cuivre, ou autre. équivalent, polarisé pour fonctionner en voltmètre de crête, conformément à des schémas bien connus.
Pour réaliser, à l'aide de ce dispositif, l'asservisse- ment de la tension V, il suffit de jumeler mécaniquement avec le curseur 13, un organe quelconque de réglage de niveau intro- duit sur la ligne de liaison entre U et V.
Dans le dispositifqui est représenté par la figure 5, cet organe est constitué par un potentiomètre 21 dont le cur- seur 22 est jumelé mécaniquement avec le,curseur 13 du disposi-
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tif d'asservissement, c'est-a-dire rendu solidaire de son axe X" Y", de telle sorte que les déplacements des curseurs 13 et
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22 soient égaux ou proportionnels. On recueille la tension V entre les bornes N P pour un expanseur et entre les bornes M N pour un compresseur.
En choisissant les lois de variation des.résistances des potentiomètres 12 et 41,-on peut faire varier à volonté les
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lois de compression et d*expansion. la cas le plus intéressant pour les applications prati- ques est obtenu en utilisant des lois logarithmiques.
'Comme on lta vu plus haut, si la résistance R1 du poten- tiomètre 12 varie en fonction du déplacement x du curseur 13 suivant la loi:
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1 = Ro QÏBX le déplacement du curseur 13, donc aussi du curseur 22, en sup- posant qu'il lui soit égal, est lié aux variations de U par la relation
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d x = 1 d U m U
Si, de plus, le potentiomètre 21 est établi de telle sor- te que sa résistance varie suivant la loi : + nx
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Ruz - R' 0 - C- ( + n pour un expanseur, bornes NP; -n pour un compresseur bornes M N ), on a, à une constante près :
V = R2 U
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donc : dV dU -d R2 dru n dz 9 #,## R2- #f- Î soit :
d y T (1 f n) du m -u-
Autrement dit, pour une-variation finie entre deux va- leurs U1.et U2 de la tension U, la tension V passe d'une va-
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leur vi à une valeur , V'2 , telle que :
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LOS. - = ( 1 4/ ) Log. U Vl U On réalise ainsi des lois de compression ou d'expansion linéaires en unités logarithmiques de taux : 1 + n/m pour un expanseur et 1 - pour un compresseur. m
On peut également, comme variante, commander la grille 14 de la lampe 14 - 15 - 16, non pas par la tension ? {montage amont), mais par la tension V régulée ( montage aval ).
Dans-,ce cas, les relations précédentes deviennent ;
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d V d x = D d V V zoé d U + n dx d U + n d V d U d V U v zon + On obtient ainsi une cauprès s ion de taux 1 1 + n ou une expansion de taux 1 1 n m Autrement dit, avec un même appareil, et sans rien chan- ger aux caractéristiques des potentiomètres 12 et 21, on obtient à volonté une compression ou expansion de taux complémentaires.
Cette propriété est très avantageuse pour.les applications pratiques.
La figure 6 en donne un exemple de réalisation qui per- mettra de juger sur un cas concret des caractéristiques prati- ques de l'invention. Elle schématise une liaison télégraphique ou téléphonique quelconque comportant, aux deux extrémités d' une ligne de transmission 23, deux dispositifs identiques, con- formes à l'invention : le premier, ¯24, du côté émission, fonc- tionnant en compresseur, de taux 1 1 + n m avec couplage réactif aval; le second 25, du côté réception, fonctionnant en expanseur, de taux 1 + nu avec couplage m réactif amont.
Les deux appareils sont commandés par la même extension V disponible entre les fils de ligne et commune; ils fonction- nent de ce fait exactement au synchronisme.
Si la tension Ul à l'entrée varie, les variations de ten- sion sont sur la ligne, après compression : d U d V Ùl V 1 n m et à la réception, après expansion : d U2 - ( 1 + n ) d V d Ui U2 -E- ' V - 1
Comme les taux de compression et d'expansion sont complé- mentaires par construction, le signal à la réception reproduit exactement et automatiquement le signal à l'émission quels que soient le taux de compression en ligne adopté et la cadence de variation du signal.
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Ce dispositif présente, sur les dispositifs connus de compression et d'expansion, les avantages importants suivants ;
Suppression complète et auto=tique des distorsions non linéaires, quel que soit le niveau du signal à transmettre.
Suppression complète et automatique des troubles dûs aux courants résiduels de détection.
Réglage à volonté des constantes de temps à signal crois- sant et à signal décroissant, ces constantes de temps pouvant être égales ou inégales dans un rapport quelconque.
Possibilité de réaliser des lois de compression et d'ex- pansion quelconques à priori ( choix de m et de n).
.Possibilité de réaliser des compresseurs et expanseurs rigoureusement identiques, complémentaires et synchrones, donc de retrouver sans déformation à la sortie de l'expanseur, le signal initial à l'entrée du compresseur, quelles que soient les lois de compression et d'expansion adoptées.
Robustesse et stabilité des réglages.
On peut également, à l'aide d'un seul moteur M et d'un seul jeu de plateaux S1 S2 , entraîner à volonté plusieurs dis- positifs d'asservissement indépendants, et, de ce fait, réali- ser sous un ensemble compact, robuste et de faible encombrement, tous les organes de réglages d'une liaison télégraphique ou téléphonique à plusieurs voies.
Plus généralement, sur les mêmes principes et avec les mêmes dispositifs, on-peut'réaliser l'asservissement de deux phénomènes physiques quelconques. Il suffit, pour cela, d'ef- feotuer la transformation de l'un d'eux en tension électrique, suivant un procédé quelconque connu, et d'utiliser cette ten- sion pour commander la grille 14 d'un dispositif conforme à l'invention et du type schématise sur la figure 5.
REVENDICATIONS.
1.) Dispositif permettant de régler, suivant une loi dé- terminée d'avance, une caractéristique de fonctionnement d'un appareil ou ensemble d'appareils, comportant un régulateur pro- prement dit, un servo-moteur pouvant actionner ce régulateur, et un appareil fonctionnant sous l'action de la caractéristique de fonctionnement qui doit commander la régulation, et pouvant effectuer la.mise en action du régulateur par -le servo-moteur, ledit appareil étant caractérisé par le fait qu'il comprend un équipage mobile oscillant autour d'un axe et sur lequel peuvent agir d'une part l'appareil qui effectue la mise en action du 'régulateur par le servo-moteur, d'autre part, un effort anta- goniste réglable, cet équipage mobile effectuant, grâce à ses oscillations,
la transmission mécanique au régulateur propre- ment dit, dans un sens convenable, du mouvement du servo-moteur qui tourne en permanence.