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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de L’Enseignement Sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de L’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Mouloud Ammeri De Tizi-Ouzou Faculté de Génie Electrique et d’Informatique DEPARTEMENT D’AUTOMATIQUE Mémoire de fin d’étude de MASTER ACADEMIQUE Spécialité : Automatique et informatique industrielle Présenté par Aghiles ABED Hassina KACI MOUSSA Mémoire dirigé par Boussad IDJERI Thème Conception et réalisation d’un système de régulation à base d’un microcontrôleur Mémoire soutenu publiquement le 12 juillet 2018 devant le jury composé de : M Mouhand-Outahar BENSIDHOUM MCA, Tizi-Ouzou, Président Mme Ouiza BOUKENDORE MAA, Tizi-Ouzou, Examinatrice Remerciements Remerciements Nous tenons tout d’abord à remercier Dieu le tout puissant et miséricordieux, qui nous a donné la force et la patience d’accomplir ce modeste travail, comme nous remercions nos très chers parents qui ont toujours été là pour nous. En second lieu nous voudrons exprimer toute notre reconnaissance à notre promoteur monsieur B.IDJERI, nous le remercions de nous avoir encadrés, orientés, aidé et conseillés. Nous tenons à remercier les membres de jury d’avoir accepté d’examiner ce modeste travail. Et pour finir, nous remercions tout le personnel de l’établissement de Mouloud Mammeri et en particulier ceux de la faculté génie électrique, département automatique, comme nous tenons aussi à remercier toutes les personnes qui ont contribuées de près ou de loin à la réalisation de ce mémoire. TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERES Liste des figures ........................................................................................................................... I Liste des tableaux ........................................................................................................................ II Introduction générale .................................................................................................................. III Conclusion perspectives ............................................................................................................. IV CHAPITRE I : Présentation des matériels I- Introduction ............................................................................................................................. 1 II- La carte Arduino ..................................................................................................................... 1 II.1-Types de 1a carte Arduino ................................................................................................... 1 II.2- Cartes Arduino Uno ............................................................................................................ 2 II.2.1- Partie matérielle ................................................................................................................ 2 a-Microcontrôleur ........................................................................................................................ 3 b-Entrées/Sorties numériques ...................................................................................................... 4 c- Entrées analogiques ................................................................................................................. 5 II.3- Partie logicielle .................................................................................................................... 5 II.3.1- Langage de programmation .............................................................................................. 5 II.3.2- Structure générale d’un programme en langage Arduino ................................................ 6 II.3.3-Etapes de l’implémentation sur le microcontrôleur .......................................................... 7 III- Composants électroniques .................................................................................................... 7 III.1- Capteurs ............................................................................................................................. 7 III.1.1- Capteur d’humidité YL-69 ............................................................................................ 7 a-Description ............................................................................................................................... 7 b- Branchement sur la carte arduino ........................................................................................... 8 TABLE DES MATIERES c- Caractéristiques du capteur d’humidité .................................................................................. 8 III.1.2- Capteur de température LM35 ....................................................................................... 9 a- Description ............................................................................................................................. 9 b- Branchement du capteur avec la carte Arduino ...................................................................... 9 c- Caractéristiques Lm35 ........................................................................................................... 10 III.1.3- Capteur de lumière (photorésistance .............................................................................. 10 a- Description ............................................................................................................................. 10 b- Branchement du capteur avec la carte Arduino .................................................................... 11 c - Caractéristiques de la photorésistance ................................................................................. 11 III.1.4- Capteur de pollution MQ135 ......................................................................................... 11 a- Description ............................................................................................................................. 11 b- Caracteristiques ...................................................................................................................... 12 c- Branchement du capteur avec Arduino .................................................................................. 12 III.2-Transistor TIP121 .............................................................................................................. 13 a- Description ............................................................................................................................. 13 b- Caractéristiques ...................................................................................................................... 13 c- Branchement du transistor avec la carte Arduino ................................................................. 13 III.3-ServomoteurG9 .................................................................................................................. 14 III.4-Pompe d’arrosage ............................................................................................................... 14 III.5- Alimentation ..................................................................................................................... 15 III.6- LED 12V ........................................................................................................................... 16 III.7-Résistance chaufane ........................................................................................................... 16 III.8- CIRCUIT L293D .............................................................................................................. 17 TABLE DES MATIERES a- Présentation ............................................................................................................................ 17 b- Brochage ................................................................................................................................ 17 c- Caractéristiques ...................................................................................................................... 19 V- Conclusion ............................................................................................................................ 20 CHAPITRE II : Prototypage (Arduino / Matlab Simulink) I- Introduction ............................................................................................................................ 21 II- Logiciel Matlab ..................................................................................................................... 21 II.1- Module Simulink ................................................................................................................ 21 II.2- Interfaçage « Arduino /Simulink ....................................................................................... 22 II.3- Package « Arduino IO ...................................................................................................... 22 a- Real-Time pacer ..................................................................................................................... 24 b- Arduino IO Setup ................................................................................................................... 24 c- Arduino Analog Read ............................................................................................................ 25 d- Arduino Analog Write ........................................................................................................... 25 e)-Servo write .......................................................................................................................... 25 III- Programmation de la carte Arduino sous Simulink ............................................................. 25 III.1- Acquisition de données ..................................................................................................... 26 III.2- Envoi des données ........................................................................................................... 26 III.3- Utilisation de la Commande PWM dans Simulink .......................................................... 27 III.4- Exemples des commandes qui sont accessibles sur workspace ........................................ 29 IV- Conclusion ........................................................................................................................... 30 TABLE DES MATIERES CHAPITRE III: Commande et régulation I-Introduction ............................................................................................................................ 31 II-Régulation industrielle ........................................................................................................... 31 II.1- Définition d’ un systéme .................................................................................................... 31 II.2-Identification d’un système ............................................................................................... 32 II.2.1-Identification dans le domaine temporel .......................................................................... 32 II.3- Objectif de la régulation automatique ................................................................................ 32 II.4-Chaines de régulations ........................................................................................................ 33 II.4.1- Régulation en boucle ouverte .......................................................................................... 33 II.4.2- Régulation en boucle fermée ........................................................................................... 34 II.5- Eléments et signaux caractéristiques d’un système de régulation ...................................... 34 II.5.1- Constitution d’une régulation .......................................................................................... 34 a- Partie commande ................................................................................................................... 34 b- Actionneur .............................................................................................................................. 34 c- Capteur ................................................................................................................................... 35 II.5.2- Différents types de signaux d’une régulation .................................................................. 36 II.6- Problèmes fondamentaux des systèmes de régulation ....................................................... 36 a- Stabilité ................................................................................................................................. 36 b- Rapidité .................................................................................................................................. 37 c- Précision ................................................................................................................................. 38 III- Régulation numérique ......................................................................................................... 38 III.1-Problèmes à résoudre pour le contrôle des processus continu ........................................... 39 a-Echantillonnage d’un signal continu ....................................................................................... 39 TABLE DES MATIERES b- Passage correcteur analogique au correcteur numérique ....................................................... 39 c- Passage correcteur numérique au correcteur analogique ....................................................... 39 IV- Régulation Tout Ou Rien(TOR) ......................................................................................... 40 V- Régulation avec PID ............................................................................................................. 40 V.1- principe de régulateur PID ................................................................................................. 40 V.2- Les types de régulation PID ............................................................................................... 40 a- Structure parallèle .................................................................................................................. 40 b- Structure série ........................................................................................................................ 41 c- Structure mixte ....................................................................................................................... 42 V.3-Actions PID ......................................................................................................................... 43 a- Action proportionnelle ........................................................................................................... 43 b- Action dérivée ........................................................................................................................ 43 c- Action intégrale ..................................................................................................................... 44 VI- Régulation par Logique flou ................................................................................................ 44 VI.1- Historique ........................................................................................................................ 44 VI.2- Ensembles et Systems flou .............................................................................................. 44 VI.3-Variables linguistique ....................................................................................................... 46 VI.4- Propriétés d'un ensemble flou ........................................................................................... 47 a- Fuzzifier ................................................................................................................................. 47 b- Base de connaissances floue .................................................................................................. 47 c- Fuzzy Rule Base ..................................................................................................................... 47 d- Inference Engine .................................................................................................................... 47 e- Defuzzifier .............................................................................................................................. 47 TABLE DES MATIERES e.1- Méthode de la moyenne des maxima .................................................................................. 47 e.2- Méthode des centres de gravité ........................................................................................... 48 VI.5-Opérateurs de la logique floue ........................................................................................... 49 a- Opérateur NON (complément, négation, inverse) ................................................................ 49 b- Operateur OU (maximum) .................................................................................................... 49 c - Operateur ET (minimum) ..................................................................................................... 49 VIII- Conclusion ........................................................................................................................ 50 CHAPITRE IV: Réalisation et simulation du système I- Introduction ............................................................................................................................ 51 II- Modélisation et identification du système ............................................................................. 51 III- Commande du système avec contrôleur flou et PID ............................................................ 55 a- Interprétation des résultats ..................................................................................................... 60 b- Comparaison des résultats ...................................................................................................... 61 IV- Réalisation de procédé ......................................................................................................... 61 IV.1- Dispositif expérimental ..................................................................................................... 61 IV.2- Prototype ........................................................................................................................... 62 V-Evolution du système réel ..................................................................................................... 65 a-Interprétation des résultats expérimentaux .....................................................................................66 VI- Conclusion .......................................................................................................................... 66 Liste des figures Liste des figures Figure Titre Page Figure (I.1) Carte Arduino UNO 3 Figure (I.2) Microcontrôleur atmega328 3 Figure (I.3) Structure d’un programme 6 Figure (I.4) Carte electronique du capteur yl-69 7 Figure (I.5) Branchement du capteur avec arduino 8 Figure (I.6) Capteur LM35 9 Figure (I.7) Branchement du capteure avec arduino 9 Figure (I.8) Photorésistance 10 Figure (I.9) Branchement du capteur avec Arduino 11 Figure (I.10) Capteur MQ135 12 Figure (I.11) Branchement du capteur avec Arduino 12 Figure (I.12) Transistor TIP121 13 Figure (I.13) Branchement du TIP121 avec Arduino 14 Figure (I.14) Servomoteur g9 14 Figure (I.15) Moteur pompe 12V 15 Figure (I.16) Alimenttion 0_30V 16 Figure (I.17) LED 16 Figure (I.18) Resistances chaufantes 17 Figure (I.19) Circuit l293d 17 Figure (I.20) Bronches du circuit l293d 18 Figure (II.1) Programme adio sous Arduino 23 I Liste des figures Figure (II.2) Arduino-io Simulink Library 24 Figure (II.3) Programmation d’une carte arduino sous Simulink 25 Figure (II.4) Acquisition des donnés sous simulink 26 Figure (II.5) Envoie de donné a partir de Simulink 27 Figure (II.6) Variation d’un train d’impulsion 28 Figure (II.7) Rapport cyclique 28 Figure (II.8) Schéma de simulation d’un moteur 12V 29 Figure (III.1) Système automatique 31 Figure (III.2) Structure d'un système de régulation (mimo) 33 Figure (III.3) Commande en boucle ouverte 33 Figure (III.4) Commande en boucle fermée 34 Figure (III.5) Constitution d’une chaine fermée 35 Figure (III.6) Stabilité d’un système 37 Figure (III.7) Représentation des performances d’un système de régulation 37 Figure (III.8) Réponse à un échelon de consigne 38 Figure (III.9) Structure de commande d’un système continu par calculateur 39 Figure (III.10) Régulateur PID à structure parallèle 41 Figure (III.11) Structure série 42 Figure (III.12) Structure mixte 42 Figure (III.13) Représentation d’un ensemble flou 45 Figure (III.14) Représentation de la température par les ensembles flous 46 Figure (III.15) Défuzzification avec la méthode moyenne des maxima (MM) 48 Figure(III.16) Défuzzification avec la méthode des centres de gravité (COG) 48 Figure(III.17) Représentation d’un système flou 49 Figure(III.18) Opérateur flou 50 II Liste des figures Figure(IV.1) Schéma bloc pour la détermination de la réponse indicielle 53 Figure(IV.2) Réponse du système à un échelon de tension 53 Figure(IV.3) Réponse du système à un échelon de tension 54 Figure(IV.4) Schéma bloc du système avec le contrôleur PID 56 Figure(IV.5) Schéma bloc du système avec le contrôleur flou 57 Figure(IV.6) Réponse du système a un échelon non corrigé 58 Figure(IV.7) Réponse du système a un échelon corrigé 59 Figure(IV.8) Comparaison des résultats de la régulation 60 Figure(IV.9) Schéma synoptique du système 61 Figure(IV.10) Schéma de simulation sur Proteus 62 Figure(IV.11) Branchement du procédé avec la carte UNO 63 Figure(IV.12) Photo du Prototype réalisé 63 Figure(IV.13) Organigramme de la régulation 64 Figure(IV.14) Enregistrement de l’évolution des paramètres sans contrôle. 65 Figure(IV.15) Enregistrement de l’évolution des paramètres avec un contrôleur PID 65 Figure(IV.16) Enregistrement de l’évolution des paramètres avec contrôleur flou. 65 III Liste des tableaux Liste des tableaux Tableau Titre Page uploads/Geographie/ abedaghiles-kacimoussahassina 1 .pdf