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Centrifugal governor - Wikipedia
遠心力ガバナー
(遠心力調速機、Centrifugal governor)

遠心力ガバナーはフィードバック機構のついたガバナー (調速機) の一型式で、 フィードバック機構が燃料 (あるいは動作流体) の流入を規制してエンジン速度を制御する。 これにより、負荷や燃料の供給状態のいかんにかかわらず、ほぼ一定の速度を維持する。 これは比例制御の原理を使用する。

遠心力ガバナーは 1788 年にジェームス・ワットが蒸気エンジンを制御するために発明し、 この場合には蒸気のシリンダーへの流入を規制した。 もっとも広範囲な使用は 19 世紀の 「蒸気時代」 における蒸気エンジンにおけるものであった。 これは内燃機関にも、色々な燃料のタービンにも、あるいは幾つかの現代的な打鐘時計 (striking clock) にも見受けられる。

  1. 動作
  2. 歴史
  3. 力学系 (Dynamic systems)
動作

遠心力 「フライボール」ガバナーの絵

図示されている装置は蒸気エンジンのものである。 ガバナーの動力は、下方の輪に接続されたベルトなしはチェーンにより、 エンジンの出力軸から供給される。 ガバナーはスロットル・バルブ (絞り弁) に接続され、 スロットル・バルブが原動力に供給される動作流体 (蒸気) の流れを規制する。 原動力の速度が増加すれば、ガバナーの心棒はより速い比率で回転し、 ボールの運動エネルギーが増大する。 これにより、レバーに付いた 2 つのボールは外側に移動し、 重力にさからって上方に移動する。 動きが十分に早くなると、この動きはスラスト軸受け (thrust bearing) の上にあるレバーを押し下げ、 これがビーム (梁) を動かし、これによりスロットル・バルブの開口部が減少する。 従って、シリンダーに進入する動作流体の比率が減少し、原動力の速度が制御され、 速度の出し過ぎを防止する。

機械的な停止装置がスロットルの動く領域を制限することに使用することもでき、 これは図のボールの近くに見ることができる。

重力を使用しない制御

2 本の腕で、2 個のボールからなるガバナーの制約は重力に依存していることであり、 ガバナーは地表に対して上向きでなければならない。 これはガバナーが遅くなった時に重力がガバナーを引き込まないといけないからである。

ガバナーは重力を使用しないように建造することもでき、 これには一本の真っ直ぐな棒と両端の重りを使用し、 棒の中心に回転軸を設置し、 重りを回転軸に引き付けるようにスプリングを使用すればよい。 回転軸の反対側の 2 つの重りは重力の影響を相殺するように動き、 スプリングによる求心力がボールを回転軸に引き寄せる。

スプリングによる引き込みを使用する非重力ガバナーは単相交流誘導モーターに通常使用され、 モーターの速度が十分に上がった時に始動界磁コイル (starting field coil) の電源を切ることに使用される。

これらはスノーモービルや全地形対応車 (ATV) の無段変速機に使用され、 車両動作の駆動/非駆動の切り替えと、エンジンの回転速度に相対的に 電動プーリーの半径を変えることに使用される。

歴史

ジェームス・ワットは事業の協力者であるマシュー・ボウルトンの提案にしたがって、 1788 年に最初のガバナーをデザインした。 これは円錐状の振り子ガバナーであり、 ワットが蒸気エンジンに適用した一連の最後の新考案であった。 ジェームス・ワットは遠心力ガバナーを自身の発見とは決して主張しなかった。 遠心力ガバナーは 17 世紀以来、風車工場で碾き石 (ひきいし) の間の距離と圧力を規制するのに 使用されていたからである。


1788 年のボウルトン・ワットのエンジン

ワットのガバナーの巨大な彫像がイングランド、ウェスト・ミッドランズのスメスウィックに立っている。 これはフライボール・ガバナー (flyball governor) と呼ばれる。

別の種類の遠心力ガバナーはシリンダーの中の軸につけた 2 つの重りから構成され、 シリンダーの内部は幾分ドラム・ブレーキのようにパッドでコーティングされている。 これはバネ懸架式のレコード・プレーヤーとバネ懸架式の電話機のダイヤルに使用され、 速度を制限した。

力学系 (Dynamic systems)

遠心力ガバナーは認知科学においてしばしば力学系の実例として使用され、 ここにおいては情報の表現が情報に加えられる操作と明白に区別することができない。 ガバナーは自動制御装置なので、力学系の解析は自明なものではない。 1868 年に、 ジェームス・クラーク・マクスウェルは有名な論文である 「ガバナーについて」 を著し、 これは広くフィードバック制御の古典と見なされている。 マクスウェルはモデレイター (moderator, 遠心力ブレーキ) と動力の入力を制御するガバナーを区別している。 彼は次の人々による装置を考察した :ジェームス・ワット、 ジェームス・トムソン (James Thomson) 教授、 フリーミン・ジェンキン ウィリアム・トムソン レオン・フーコー、 カール・ウィルヘルム・ジーメンス (Carl Wilhelm Siemens) (液体ガバナー)。

サイバネティックスにおける一影響として

アルフレッド・ラッセル・ウォレス リンネ協会 (ここを通じてダーウィンが「種の起原」を出版した) に提出した 1858 年の有名な論文の中に大部分見過ごされている下りがあり、 その中で彼は進化の原理を次のように述べている:

この原理によるふるまいはまさしく蒸気エンジンの遠心力ガバナーのようなものであり、 変則をチェックし、これが明らかとなるほとんど前に変則を補正するのであり、 類似の方法により、動物界における調和の取れていない欠陥は明白な大きさに到達することがないのである。 というのは調和の取れていない欠陥は最初から存在を困難にし、 滅亡がすぐにも続くことがほとんど確実だからである。

サイバネティックス研究者で人類学者である グレゴリー・ベイトソンが 1970 年代に認めたことは、 実例としてのみ見ただけではあるが、ウォレスは 「恐らくは 19 世紀に述べられた中で最も強力なことを述べた」。 ベイトソンは 1979 年の彼の本「精神と自然――生きた世界の認識論」 (Mind and Nature: A Necessary Unity) でこの話題を再び取り上げ、 他の研究者も自然選択とシステム論の関連を研究し続けている。