Chapitre 1 : Introduction à l ’Automatique
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Chapitre 1 : Introduction à l ’Automatique
Science et technique de l ’automatisation qui étudient les
méthodes et les technologies propres à la conception et à l ’utilisation des
systèmes automatiques
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1.1 Historique de l ’Automatique
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Historique - Antiquité : jusqu'à 1900
horloge à eau (Ktesibios - 300 av. J. C.)incubateur (Drebel - 1620)régulateur (Watt - 1789)
article de Maxwell "On governors" (1868)système représenté sous forme d'équations différentielles
linéariséesmise en évidence des problèmes de stabilité
détermination de critères de stabilité (Routh - 1877)
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Historique - de 1900 à 1960
Période pré-Classique : 1900 - 1940régulateur PID pour le pilotage d'un bateau (Sperry - 1911)formalisation du concept PID (Minorsky - 1922)utilisation de la rétroaction négative dans les
amplificateurs (Black, Nyquist - 1932)
Période Classique : 1935 -1960réglage optimum des PID (Ziegler et Nichols - 1942)utilisation de la Transformée de Laplace (Hall -1943)
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La clepsydre (300 avant J.C.)
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Machine à vapeur de Watt (1789)
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1.2 Les systèmes automatiques
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Pourquoi des systèmes automatiques ?
pas d'intervention de l'homme
réaliser des opérations trop complexes ou pénibles pour l'homme
(ex : atterrissage d'un engin spatial sur la lune)
substituer la machine à l'homme dans des tâches trop répétitives ou dénuées d'intérêt
(ex : boite de vitesse automatique)
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Les différents systèmes automatiques
Systèmes séquentielsl ’automatisation porte sur un nombre fini d ’opérations
prédéterminées dans leur déroulementex : machine à laver, ascenseur
Systèmes asservis (bouclés)Régulations : l ’objectif est de maintenir une grandeur constante
malgré la présence de perturbationsex : chauffage domestique
Asservissements : l ’objectif est de faire suivre une loi non fixée à l ’avance à une grandeur physique
ex : radar, poursuite d ’une trajectoire
Automates
Régulateurs
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1.3 Les systèmes asservis
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3 étapes au fonctionnement ininterrompu :
L ’Homme : un système asservi
SystèmeMuscles
Perturbations
Cerveau SensObjectif
Réflexion Action Observation
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Point de départ
Pour concevoir un système asservi, il faut :
définir la variable que l ’on veut maîtriser
variable de sortie, variable à régler
qu ’il existe une autre variable sur laquelle on peut
agir et qui permette de faire évoluer la variable qui
nous intéresse
variable d ’entrée, variable de réglage
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Notion de système
FourDébit de gaz Températuredans le four
Schéma fonctionnel
Exemple
SystèmeEntrée SortieCause Effet
Procédé
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Nécessité d ’une commande
Principe
Exemple
Four
Débitde gaz
VanneCommandeélectrique
Températuredans le four
Procédé
Grandeurde réglage
Grandeurréglée
ActionneurCommande
Grandeurà maîtriser
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Les perturbations
Principeles perturbations sont des variables d ’entrée que
l ’on ne maîtrise pas
elles sont représentées verticalement sur le schéma fonctionnel
Exemple
Four
Débitde gaz
VanneCommandeélectrique
Température extérieure, ...
Températuredans le four
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Commande en boucle ouverte
Principeon connaît la relation (le modèle) qui relie la
commande à la grandeur réglée, il suffit alors d ’appliquer la commande correspondant à la sortie désirée
Inconvénientsne prend pas en compte les perturbationsquelquefois, difficulté d ’obtenir un modèle
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Commande en boucle fermée
Principe
on observe le comportement de la sortie et on ajuste la
commande en fonction de l ’objectif souhaité
Moyens complémentaires
en plus de l ’actionneur, il faut :
un capteur, pour observer la variable à maîtriser
un régulateur, pour ajuster la commande
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Un exemple de commande en B.F.
B. F. : Boucle Fermée
FourVanne
Température extérieure, ...
RégulateurCapteur de
température
Consigne
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Le régulateurLe régulateur est composé de deux éléments :
un comparateur qui fait la différence entre la consigne et la mesureun correcteur, qui transforme ce signal d ’erreur en une commande appropriée ; l ’art du régleur est de déterminer judicieusement ce
correcteur
Mesure
CorrecteurConsigne Commande+
-
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Le correcteur PIDLe correcteur PID* est le plus utilisé :
la commande u est une fonction du signal d ’erreur , écart entre la consigne et la mesure :
dans cette équation K, Ti et Td sont les 3 coefficients à régler
* : P : Proportionnel I : Intégral D : Dérivé
dt
dTTKu di
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Structure d ’un système asservi
Correcteur Actionneur Procédé Capteur
Mesure
MesurandeActionCommandeConsigne
Perturbations
+
-
Régulateur
Régulation : la consigne est fixeAsservissement : la consigne varie
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1.4 Quelques applications
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Les applications
Au début :
systèmes mécaniques et hydrauliquesEnsuite :
systèmes électriques et aéronautiquesMaintenant :
tout, du système d'entrainement de disque dur au laminoir, en passant par la Hi-Fi
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Automobile : servo-embrayage
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Génie chimique : dépollution
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1.5 La supervision
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Sidérurgie : laminoir
M M M
Cage 1 Cage 2 Cage 3
S1 F1 S2 F2 S3 F3Sc1 Sc2 Sc3
Vc1 Vc2 Vc3
Vcyl1 Vcyl2 Vcy3
Te TsT12 T23Es1 Es2 Es3
Commandes : Sc : consigne de serrage Te, Ts : traction absolue de la bande en entrée et en sortie Vc : consigne de vitesse
Mesures : F : force de laminage Tij : traction intercage Es : épaisseur de sortie de cage Vcyl : vitesse linéaire des cylindres de travail
Plusieurs variables à maîtriser : nécessité d ’une supervision
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La régulation : une partie d ’un tout
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1.6 Organisation du Cours
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Ex : régulation de vitesse
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Etape 1 : modélisation
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Etape 2 : correction
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Organisation du Cours
Outils de baseReprésentation des systèmes (schémas fonct., T. L.)Fonctions de transfert - réponses transitoires et harmoniques
- diagrammes
Modélisation et identificationRéglage des correcteurs
Performances d'un système de régulationStratégies de régulation
Eléments de technologie
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Le chapitre 1 est terminé !