Régulateur discontinu à deux ou trois plages
La présente invention a pour objet un régulateur discontinu à deux ou trois plages, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositf compensateur comportant une mémoire qui enregistre l'action totale du régulateur tant que la grandeur réglée n'est pas revenue à sa valeur de consigne, et un émetteur d'impulsions agencé pour transmettre à un organe de réglage, dès le retour de la grandeur réglée à la valeur de consigne, l'ordre d'appliquer une correction de sens opposé à l'action du régulateur et représentant une fraction de 1/K de celle-ci, 1/K étant inférieur à 1.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution du régulateur objet de l'invention, un diagramme explicatif et illustre une utilisation de ces formes d'exécution:
la fig. 1 est le diagramme explicatif,
les fig. 2 et 3 sont les schémas des deux formes d'exécution, respectivement,
la fig. 4 est le schéma détaillé d'un ensemble représenté aux fig. 2 et 3, et
la fig. 5 est une vue schématiquc d'une installation utilisant l'une ou l'autre desdites formes d'exécution.
On connaît le principe de fonctionnement des régulateurs destinés à maintenir une grandeur réglée au voisinage d'une valeur de consigne. Quand la grandeur s'écarte de la valeur de consigne, un détecteur constate l'écart et envoie une information au régulateur qui a pour mission de ramener la grandeur à la valeur de consigne par l'envoi de signaux discontinus à un organe de réglage. Le détecteur réagit à tout ou rien , c'est-à-dire qu'il n'enregistre pas l'importance de l'écart entre la grandeur et la valeur de consigne, mais simplement le fait que la grandeur ne concorde plus avec la valeur de consigne; de ce fait, il continue à maintenir l'information au régulateur tant que la grandeur n'est pas revenue à la valeur de consigne.
Si le dispositif réglé a une certaine inertie, ce retour à la valeur de consigne ne suit pas immédiatement le premier signal et le dispositif de régulation envoie une série de signaux dont l'effet s'accumule et provoque un retour de plus en plus rapide de la grandeur à la valeur de consigne.
Au moment où la valeur de consigne est atteinte, le régulateur cesse son action; mais du fait de son inertie, le système réglé continue d'évoluer avec la vitesse acquise et la grandeur s'écarte à nouveau de la valeur de consigne, en sens inverse cette fois. Il faut alors une action antagoniste du système de régulation pour revenir de nouveau à la valeur de consigne. L'action du régulateur tout ou rien se traduit donc par des oscillations dont l'amplitude, qui dépend de l'inertie du dispositif, peut être importante et même parfois augmenter à chaque oscillation.
Ces faits connus peuvent être représentés graphiquement par la fig. 1 :
En ordonnées, on porte les valeurs de la grandeur variable X, et en abscisses le temps ; 2 plages (O) et (1) sont séparées par la droite AL qui correspond à la valeur de consigne XO donnée au système de régulation. Un détecteur est réglé de telle façon qu'il réagit dès que la valeur XO n'est pas respectée.
Si, par exemple, au moment représenté par l'abscisse du point A la grandeur à régler commence à s'écarter de la valeur XO en passant de la plage 0 dans la plage 1, le détecteur réagit immédiatement et transmet une information au régulateur qui envoie, par un moyen quelconque, un signal à un organe de correction pour ramener la grandeur déréglée à la valeur de consigne. A cause de l'inertie du dispositif, la grandeur n'est pas encore revenue à la normale au temps correspondant au point B. Un deuxième signal est alors envoyé par le dispositif régulateur, qui accentue ainsi l'action correctrice. Au temps correspondant au point C, la grandeur continue toujours à s'écarter de la valeur de consigne, mais à une vitesse moindre.
Au temps correspondant au point D, cet écart devient maximum, puis commence à diminuer, mais, comme le détecteur réagit à tout ou rien, le régulateur continue à envoyer des signaux à l'organe de réglage aux temps correspondant aux points E et F, et le retour vers la valeur de consigne est de plus en plus accéléré.
Ce n'est que dans l'état du système représenté par le point G que le détecteur annule son information.
Mais à ce moment, par la vitesse acquise grâce aux impulsions excédentaires, la valeur de consigne est dépassée, cette fois-ci dans l'autre sens. La grandeur quitte la plage 1 et pénètre dans la plage 0 d'autant plus profondément que les impulsions excédentaires ont été plus nombreuses et ont duré chacune plus longtemps.
L'écart dans la plage 0 peut être décelé par le même détecteur ou un autre qui agira exactement comme précédemment sur le dispositif de régulation, mais cette fois-ci dans le sens inverse pour ramener l'écart à une valeur nulle.
Si l'on pouvait arrêter les impulsions lorsque la grandeur à régler se situe dans la région D à E, le retour à la valeur de consigne pourrait se faire avec une vitesse plus faible, et il en résulterait un écart plus faible dans la plage 0. Mais comme le détecteur n'agit qu'à tout ou rien, et non en fonction de la valeur de l'écart, il est impossible d'obtenir cet arrêt des impulsions dans les dispositifs de régulation considérés.
Le défaut de ces dispositifs de régulation est donc d'entretenir, dans les dispositifs réglés à grande inertie, des oscillations de grande amplitude autour de la valeur de consigne.
Divers procédés ont déjà été utilisés pour réduire l'amplitude des variations de la grandeur réglée et amortir ses oscillations.
On peut citer parmi ces procédés ceux qui sont basés sur un déplacement du point de consigne en fonction du temps d'action sur l'organe de réglage, ainsi que les procédés utilisant une action dosée par impulsions sur l'organe de réglage.
Le premier de ces procédés présente l'inconvénient de déplacer le point de consigne (d'où une incertitude pour l'opérateur). Le second est parfois insuffisant pour amortir les oscillations du dispositif réglé.
Le régulateur qui va être décrit permet d'enregistrer l'action totale (définie ci-après) du dispositif de régulation qui a agi sur l'organe de réglage dans un sens donné (positif par exemple) tant que la grandeur n'est pas repassée par la valeur de consigne; puis, dès que la grandeur est repassée par la valeur de consigne, c'est-à-dire au moment où le détecteur n'actionne plus le dispositif de régulation, il peut transmettre à l'organe de réglage l'ordre d'appliquer une correction correspondant à une certaine fraction 1/K (K étant un nombre plus grand que 1) de l'ac- tion totale enregistrée, mais cette fois-ci dans le sens inverse (négatif) et pendant une période représentant une fraction déterminée, aussi petite que possible, de la période pendant laquelle s'est effectuée l'action de sens positif.
Dans ces conditions, L'écart inverse (négatif) par rapport à la valeur de consigne, qui tend à se produire sous l'effet des impulsions excédentaires du régulateur, se trouve considérablement diminué et persiste moins longtemps (points G, H, I, sur la courbe-figure 1).
Dans les formes d'exécution représentées aux fig.
2 et 3, le régulateur comprend a) un circuit de régulation de type habituel avec un relais R et un émetteur d'impulsions d'action (IA) à cadence lente, de durée et de cadence réglables, b) un circuit de compensation comprenant un ensemble M avec ses organes de mémoire et de commande, et un émetteur d'impulsions de décompte (ID) à cadence rapide, de durée et de cadence réglables également, et c) au moins un détecteur D (fig. 2) ou Dt et D- (fig. 3) et un organe de réglage OR.
Les différents organes de ces circuits peuvent être de tout type connu, approprié aux fonctions considérées ; ils peuvent être basés sur des phénomènes mécaniques, électriques, électroniques ou pneumatiques.
Les émetteurs d'impulsions IA et ID sont de préférence des émetteurs ayant une même gamme de durées d'action, par exemple de 0,5 à 5 secondes, mais des gammes de temps morts différentes. Ces temps morts doivent en effet être plus courts pour l'émetteur ID que pour l'émetteur IA. On peut utiliser par exemple un émetteur ID avec temps morts réglables entre des valeurs extrêmes représentant chacune une fraction déterminée, par exemple 1/10 à 1/100, des valeurs extrêmes de temps morts de l'émetteur IA.
Le choix des dispositifs constituant l'ensemble M dépend de la nature des moyens mis en jeu dans le régulateur et des phénomènes par lesquels peut être exprimée l'action totale à enregistrer. Celle-ci peut en effet être exprimée soit par le nombre d'impulsions fournies par l'émetteur IA pendant la période d'action, soit par la durée pendant laquelle agit le régulateur, soit par l'amplitude du déplacement de l'organe de réglage. Quel que soit le mode concret de réalisation de l'ensemble M, il doit réaliser la succession des opérations logiques définies plus haut.
Les dispositifs réalisant ces opérations peuvent être les suivants (fig. 4):
une mémoire m ; un programmeur p réagissant sur la mémoire m pour la remettre à zéro ; un organe de remise à zéro z lié au programmeur; des contacts Ci, C., Ca, C., C,, mis en action respectivement par le détecteur, l'émetteur d'impulsions IA, la mémoire m, le programmeur p et l'émetteur d'impulsions ID. Le contact C., ferme une des coupures du circuit programmeur cp tant que la mémoire m n'est pas au zéro ; il coupe au contraire ce circuit en même temps qu'il ferme une coupure du circuit d'alimentation de l'émetteur ID quand la mémoire m est au zéro.
Le contact C4 ferme une autre coupure du circuit d'alimentation de ID tant que le programmeur p n'est pas au zéro.
En outre, un contact Ct, placé entre le relais R et l'émetteur IA et commandé par le programmeur pt permet de maintenir coupée la liaison entre R et IA tant que le programmeur p est en fonctionnement.
Dans le cas où le régulateur agit par impulsions électriques sur l'organe de réglage, l'organe d'enregistrement de cette action peut être par exemple un commutateur pas à pas (genre commutateur téléphonique par exemple) avançant d'un pas à chaque impulsion délivrée par le régulateur. Partant du plot zéro au moment où se déclenche l'action du régulateur, un tel commutateur arrive au plot N lorsque, après N impulsions fournies par le régulateur à l'organe de réglage, la grandeur réglée est repassée par la valeur de consigne. L'organe de programme utilisé en pareil cas peut être constitué par le même commutateur pas à pas associé à un système de relais.
Au moment où la grandeur a repris la valeur de consigne, le système de relais considéré marque une
N tension sur le plot P ka du commutateur (P étant
K' le nombre total de plots, ou de pas, du commutateur et K' un nombre entier défini ci-après), fait
N avancer le commutateur du plot N au plot P
K' sans agir sur l'organe de réglage, puis déclenche l'émetteur d'impulsions à cadence rapide ID qui transmet à l'organe de réglage l'ordre de réaction.
Le commutateur avance alors d'un pas à chaque im N pulsion de l'émetteur ID et, apres KX impulsions, revient à sa position zéro, interrompant ainsi le circuit de réaction et remettant le compensateur en position d'enregistrement.
La valeur de K' est choisie de façon que, compte tenu de leur durée, les N/K' impulsions de ID produisent une contre-réaction correspondant à la fraction d'action totale 1/K choisie. En pratique on choisit d'opérer avec des impulsions ayant chacune la même (ou sensiblement la même) durée dans le circuit régulateur et dans le circuit compensateur, de sorte que l'on peut, en ce cas, prendre K' égal à K.
Bien entendu, le régulateur n'est pas limité à l'emploi d'un ensemble M tel que le commutateur pas à pas qui vient d'être décrit. Tout autre ensemble pouvant exécuter l'enregistrement d'une action définie comme ci-dessus et contrôler, aussitôt après, l'intervention de l'émetteur ID jusqu'à injection du taux de contre-réaction approprié, défini au préalable, peut convenir.
Cette correspondance entre la quantité d'action produite par le régulateur et le taux de contre-réaction à apporter, c'est-à-dire le facteur 1/K, est établie en fonction des caractéristiques du dispositif réglé.
Dans le cas où l'évolution de ce dispositif sous l'action du régulateur peut être représentée par une courbe symétrique comme l'est la portion de courbe
ADG de la fig. 1, il paraît avantageux d'adopter pour 1/K la valeur 1/2.
Les différents organes énumérés précédemment sont reliés entre eux par un certain nombre de liaisons : liaison entre le détecteur D d'une part et le relais R et le contact C1 d'autre part; liaison entre le relais R et l'entrée de l'émetteur d'impulsions IA liaison entre cet émetteur IA et l'organe de réglage et le contact C,; liaison entre les contacts C3 et C4 et l'entrée de l'émetteur d'impulsions ID ; liaison de cet émetteur ID avec l'organe de réglage OR et avec le contact Ci de l'organe de remise à zéro du programmeur.
Ces différentes liaisons peuvent être mécaniques, pneumatiques, ou électriques selon les types d'appareils à relier.
Le fonctionnement du régulateur décrit découle immédiatement de l'examen des schémas des fig. 2, 3 et 4. Soit pour le régulateur de la fig. 2 qui représente le cas d'une régulation à deux plages : au moment où la grandeur à régler s'écarte de la valeur de consigne, en passant par exemple de la plage 0 à la plage 1, le détecteur D actionne simultanément le relais R et le contact C,. A ce stade, la coupure en Cr entre R et IA est normalement fermée. Le relais R peut donc déclencher à son tour l'émetteur IA qui envoie ses impulsions à l'organe de réglage
OR.
Simultanément, le circuit d'enregistrement (ou de mémoire) cm qui a été formé en C1 sous l'influence du détecteur enregistre l'action du circuit régulateur à chaque fermeture en G commandée par exemple par les impulsions de l'émetteur IA. Au moment où la grandeur repasse par la valeur de consigne en sens opposé, c'est-à-dire de la plage 1 vers la plage 0, le détecteur D cesse d'agir sur le relais R et sur le contact C1 ; il se produit alors par R et Cl une coupure du circuit de régulation et du circuit d'enregistrement cm. Quant au circuit programmeur cp, dont la coupure en C3 a déjà été fermée par le contact C3 à la mise en marche de l'organe de mémoire m, il se ferme totalement par C1 qui n'est plus commandé par le détecteur.
Le programmeur se met alors en marche, agit sur les contacts C4 et C,., fer mant la coupure en C, l et ouvrant une coupure en C,., entre R et IA et prend un état déterminé lié à celui qu'a pris la mémoire m; à ce moment, la grandeur par laquelle la mémoire m a mesuré l'action totale du régulateur a été ramenée au zéro, fermant du même coup en C3 la coupure du circuit d'alimentation de ID. L'émetteur ID entre ainsi en fonc tionnement et envoie ses impulsions rapides à l'organe de réglage OR, déclenchant par un montage approprié une action opposée à la précédente. Simultanément l'organe de remise à zéro z agit à chaque fermeture du contact C5 commandée par exemple par les impulsions de ID.
En revenant au zéro, le pro grammeur p agit à nouveau sur les contacts C4 et Cr, coupant le fonctionnement de ID et remettant en liaison R et l'émetteur IA. Un nouveau cycle peut recommencer. La coupure en Cr pendant la durée de fonctionnement de l'organe programmeur p empêche tout fonctionnement du circuit de régulation R-IA
OR, sous l'influence d'un retour accidentel de la grandeur réglée dans la plage 1, tant que le programmeur n'a pas terminé son action.
Dans le cas du régulateur de la fig. 3, qui représente une régulation à trois plages, les organes R et
M comprennent en outre un montage qui leur permet d'être informés de la plage dans laquelle se trouve la grandeur et d'agir en conséquence, le régulateur fonctionnant dans les plages extrêmes et le compensateur intervenant en contreréaction dans la plage médiane.
Le régulateur décrit peut être avantageusement utilisé avec tous les dispositifs intégrateurs ou à inertie qui n'évoluent pas rapidement vers un nouvel état d'équilibre après chaque modification de l'organe de réglage. Un exemple de dispositif de ce type est fourni par les machines à bande métallique sans fin pour la confection de films par coulée d'un collodion. On sait que les rubans de ces machines, qui peuvent atteindre des dimensions importantes (par exemple quelques dizaines de mètres de longueur développée et une largeur de plus d'un mètre) et qui exercent sur les rouleaux guide et moteur des efforts considérables (de l'ordre de plusieurs tonnes), présentent une très forte inertie.
D'autre part, les exigences de régularité formulées pour le film imposent de limiter très étroitement les déplacements latéraux que le ruban effectue inévitablement sous l'influence de causes diverses. Si on laisse fonctionner une telle machine sans régulateur, quel que soit le parallélisme des rouleaux moteurs et guide, le ruban effectue des déplacements latéraux importants. On peut y remédier en agissant sur l'orientation de l'axe du rouleau guide par un organe de réglage, constitué par un servo-moteur électrique avec vis sans fin et pignon, provoquant de petits déplacements d'une des extrémités de l'axe du rouleau guide. Le conducteur de la machine met en marche l'organe de réglage quand il remarque des déplacements du ruban par rapport à des repères, ou mieux ce dispositif de réglage peut être mis en action automatiquement par un dispositif détecteur.
On a ainsi équipé avec une régulation automatique une machine à fabrication de film par coulée (fig. 5) présentant les caractéristiques suivantes
longueur développée du ruban: 28 m; largeur: 1,40 m ; effort sur paliers: 8 à 10 tonnes ; vitesse linéaire réglable de 200 m à 1200 m/heure.
La machine a tout d'abord été munie d'une régulation à régulateur simple comprenant: comme détecteurs, deux cellules photorésistantes A et B actionnées par deux faisceaux lumineux disposés de part et d'autre de la bande, perpendiculairement à celle-ci, et émis par des systèmes optiques ayant leur foyer dans un des plans de la bande à 2,5 millimètres des lisières ; un relais; un émetteur d'impulsions, de durée réglable entre 0,5 et 10 secondes et de temps mort réglable entre 0,5 et 10 minutes; un organe de réglage avec servo-moteur électrique, vis sans fin et pignon tel que défini ci-dessus, permettant un déplacement du palier sur lequel porte l'action à la vitesse de l'ordre de 0,4 millimètre par minute.
On a ensuite cherché à améliorer la régulation de la machine en incorporant dans le circuit précédant, selon le schéma de la fig. 3, un circuit de contreréaction comprenant: un ensemble M constitué par un commutateur téléphonique du type précédemment décrit et réglé pour une valeur de 1/K égale à 1/2; et un émetteur d'impulsions rapides, de durée comprise entre 0,5 et 10 secondes à intervalle réglable entre 0,5 et 5 secondes.
En fonctionnement avec le régulateur simple et dans les meilleures conditions de marche de celui-ci, c'est-à-dire pour des impulsions d'une durée de 10 secondes espacées par des temps morts d'une durée de 6 minutes, on obtenait encore des déplacements notables et allant en s'amplifiant à chaque oscillation du ruban, de part et d'autre des limites fixées par les foyers des pinceaux lumineux du système de détection. Avec le régulateur compensateur, et en utilisant dans le circuit de réaction des impulsions d'une durée de l0 secondes espacées par des temps morts d'une durée de 3 secondes, on a réussi à amortir considérablement les oscillations qui étaient entretenues par le dispositif de régulation simple.
Le réglage avec compensation permet d'explorer de grandes vitesses linéaires, pour lesquelles la stabilisation manuelle du ruban serait pratiquement impossible sans détérioration de la bande.