Régulateur à boules
Le régulateur à boules de James Watt a la réputation d'avoir été le premier mécanisme de feedback, alias rétroaction, utilisé dans le domaine industriel. Les considérations de ces mécanismes d'un type nouveau dans le domaine donnèrent naissance plus tard à des réflexions comme la cybernétique et à des sciences comme l'automatique.
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Le problème
Il est important pour ne pas détériorer les mécanismes de transmission mécanique que la vitesse d'une machine à vapeur soit aussi égale que possible. Si quelques écarts sont à la rigueur admissibles pour l'entraînement d'une pompe de mine, des différences de vitesse du même ordre peuvent compromettre le fonctionnement d'une filature ou de métiers à tisser, dont la mécanique est délicate.
Comment assurer la régulation ?
La régulation passive
Les chaudières étaient bien entendu munies pour des raisons de sécurité d'une soupape, laissant filer la vapeur chaque fois que celle-ci atteignait une pression dangereuse (la combustion du charbon qui la chauffait n'étant pas forcément très régulière, celui-ci étant enfourné par pelletées entières. L'usage de la seule soupape comme organe régulateur, en faisant fonctionner la chaudière au voisinage du point limite, aurait représenté un gaspillage : toute vapeur que l'on laisse échapper, c'est de l'argent perdu. De plus, ce système de régulation passive ne réalisait que la moitié d'une régulation : capable de limiter une pression excessive, il était incapable de remonter une pression insuffisante.
Régulation active
Watt comprit qu'il y aurait avantage à faire agir un régulateur automatique non sur la pression de vapeur, mais sur une vanne d'admission de la vapeur en fonction de la vitesse de l'axe. Comment associer à cette vitesse une position mécanique pouvant contrôler la valve ? Watt imagina d'utiliser la force centrifuge : associer par un engrenage la rotation de l'axe - en général horizontal - à une rotation verticale d'un autre axe comportant deux boules situées aux extrêmités d'un pantographe : plus l'axe tournait vite et plus les boules s'écartaient, ce qui avait pour effet de remonter la partie inférieure du pantographe. Celle-ci pouvait alors être utilisée pour commander la vanne d'admission de vapeur.
Si à la suite d'une combustion plus forte, ou d'une moindre utilisation de la puissance fournie, la vitesse de rotation augmente,
- les boules tournent plus vite
- elles s'écartent davantage par force centrifuge,
- la base du pantographe remonte,
- et l'admission de vapeur est diminuée - tendant donc à réduire cette même vitesse d'autant qu'il le faut pour revenir au point de consigne.
Si inversément à la suite d'un ralentissement de la combustion ou d'une charge supérieure de l'atelier cette vitesse diminue,
- les boules tournent moins vite,
- elles se rapprochent en raison de leur poids du fait que la force centrifuge diminue
- la base du pantographe baisse,
- et l'admission de vapeur est augmentée - tendant donc du même coup à augmenter cette vitesse autant qu'il le faut pour revenir sur le point de consigne.
Anecdote
On peut trouver dans les vieux gramophones des régulateurs à patin qui sont inspirés du pantographe tournant de Watt : la vitesse de rotation (multipliée par un jeu d'engrenages) conduit un patin de feutre à frotter sur un disque métallique, ce qui régule la vitesse. En jouant sur la hauteur du disque métallique, on pouvait régler la vitesse du disque musical entre 70 et 80 tours/minute, afin par exemple d'en permettre l'accompagnement sur un piano un peu désaccordé.