James Watt, le régulateur à bille et les débuts des boucles de contrôle de processus
Avez-vous déjà entendu quelqu'un utiliser l'expression « balls out » ? Vous savez, comme dans « donner le maximum » ou « se donner à fond ».
Comme un entraîneur de basket-ball expliquant sa stratégie à son équipe pendant la mi-temps d'un match : « On va se donner à fond en défense pendant la deuxième mi-temps.
Ou un étudiant qui passe une nuit blanche à réviser pour un examen de mi-semestre : je vais me donner à fond jusqu'à l'examen de demain.
Mais vous êtes-vous déjà demandé d'où venait ce terme ? En réalité, il ne signifie probablement pas ce que vous pensez.
Bon sang : James Watt (30 janvier 1736 – 25 août 1819)
Pour connaître les véritables origines du terme, il faut remonter à la fin du XVIIIe siècle, lors de la recherche par l'inventeur et ingénieur mécanicien écossais James Watt d'un moyen de réguler automatiquement la vitesse d'une machine à vapeur.
À cette époque, Watt avait déjà eu un impact incroyable sur l'évolution de la machine à vapeur. Le moteur Watt, l'une des nombreuses inventions de Watt et une amélioration du premier moteur Newcomen, a contribué à changer le monde, en inaugurant la révolution industrielle et en lançant la modernisation de la vie quotidienne.
Le régulateur à bille et les débuts de l'automatisation
Mais les contributions de Watt ne s'arrêtèrent pas là.
Dans les années 1780, il remarqua que les opérateurs de machines étaient confrontés à un défi particulier : les machines utilisées dans les usines et les mines devaient tourner à une fréquence constante, quelle que soit la charge qui leur était imposée. Cela représentait un défi, car une augmentation ou une diminution de la charge imposée à une machine à vapeur avait un effet sur sa vitesse.
Ainsi, de manière générale, la vitesse d'un moteur augmente lorsque la charge diminue et diminue lorsque la charge augmente. Si, par exemple, vous disposez d'une pompe qui évacue l'eau d'une mine, la vitesse du moteur augmentera chaque fois que la quantité d'eau augmentera ou diminuera. Pour compenser, l'opérateur du moteur devait ouvrir ou fermer manuellement la soupape à vapeur.
En 1788, Watt a commencé à chercher des moyens d'automatiser ce processus. Finalement, il est tombé sur un mécanisme appelé « fly ball » (ou régulateur centrifuge), qui était utilisé dans les moulins à vent depuis près d'un siècle pour réguler la distance et la pression entre les meules. Watt y vit la solution parfaite et commença à adapter le dispositif pour contrôler la vitesse de sa machine à vapeur.
Voici comment Watt a mis le ballon en mouvement (ou plutôt en rotation) :
Le régulateur à bille centrifuge est composé de deux billes lestées fixées à un axe par des bras capables de pivoter. L'arbre de sortie de la machine à vapeur de Watt entraîne l'axe du régulateur à billes : lorsque le moteur tourne plus vite, la force centrifuge fait tourner les billes et les soulève vers l'extérieur ; lorsque le moteur ralentit, la rotation ralentit et les billes retombent. Les bras oscillants sont connectés à un levier qui actionne la soupape d'étranglement qui, lors de son activation, augmente ou diminue la quantité de vapeur entrant dans le cylindre du moteur, régulant ainsi automatiquement la vitesse du moteur.
Ainsi, lors de la rotation à plein régime de la machine à vapeur, les billes sont « sorties », d'où la signification de l'expression « balls out » (littéralement « billes sorties »).
Mais cette expression mal utilisée n'est pas la seule chose pour laquelle l'adaptation du régulateur à billes par Watt est connue. L'intention de Watt est également l'un des premiers exemples de système de contrôle en boucle fermée, très similaire aux systèmes modernes en boucle fermée que l'on peut voir aujourd'hui dans l'industrie manufacturière.
Si, par exemple, nous voulons contrôler la température d'un fluide dans un processus, nous utilisons un capteur pour mesurer la température, un contrôleur pour évaluer le niveau d'erreur entre la lecture du capteur et le point de consigne du contrôleur, puis le contrôleur actionne un actionneur – dans ce cas, un élément chauffant pour augmenter la température ou un échangeur de chaleur pour la réduire.
Comparez cela au régulateur à masselottes de Watt, où la broche détecte la vitesse du moteur, les masselottes réagissent à l'augmentation de la vitesse et, comme un régulateur, actionnent la soupape d'étranglement, qui dans ce cas est l'actionneur réduisant la quantité de vapeur allant aux cylindres, ramenant ainsi la vitesse du moteur dans une plage sûre.
L'amélioration apportée par Watt à la machine à vapeur a contribué à alimenter le siècle suivant en innovations et a fourni aux futurs ingénieurs un exemple précoce de système de contrôle en boucle fermée efficace.
Qu'est-ce qu'un moteur pas à pas et un contrôleur ? – Omega Engineering Présentation des moteurs pas à pas
