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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.

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.