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Ch.I – Systèmes automatisés - Systèmes bouclés - p1 PRESENTATION DES SYSTEMES A

Ch.I – Systèmes automatisés - Systèmes bouclés - p1 PRESENTATION DES SYSTEMES AUTOMATISES I – Généralités - Définitions 1. Introduction "Philosophique" / "Historique" "Depuis toujours l'homme est en quête de bien être". Cette réflexion (qui rejoint la notion de besoin) peut paraître bien éloignée d'un cours de Sciences Industrielles, pourtant c'est la base de l'évolution des sciences en général, et de l'automatisation en particulier. L'homme a commencé par penser, concevoir et réaliser. Lorsqu'il a fallu multiplier le nombre d'objets fabriqués, produire en plus grand nombre, l'automatisation des tâches est alors apparue : remplacer l'homme dans des actions pénibles, délicates ou répétitives. Citons pour exemple quelques grands hommes, avec les premiers développements de l'ère industrielle au XVIIIème siècle, Watt, avec ses systèmes de régulation à vapeur, Jacquard et ses métiers à tisser automatiques... Une liste exhaustive serait bien difficile à établir ! Enfin, le développement des connaissances, et des outils mathématiques, ont conduit à un formidable essor des systèmes automatisés, et des systèmes asservis, dans la deuxième moitié du 20ème siècle. Certains se hasardent à rapprocher l'Automatique et la philosophie, observant d'étranges similitudes entre les processus propres à l'homme et l'approche technologique. Mais au fait qu'est-ce qu'un système ? Bien difficile de répondre à une telle question ! Notre point de vue porte sur les systèmes de production et les systèmes pluri-techniques en général, nous pouvons néanmoins en donner une définition plus large. Système : toute structure dont la fonction globale est de conférer une valeur ajoutée à un ensemble de matières d'œuvre, dans un contexte donné. 2. Système automatisé - Définitions Définition : Un système automatisé ou automatique est un système réalisant des opérations et pour lequel l'homme n'intervient que dans la programmation du système et dans son réglage. Les buts d'un système automatisé sont de réaliser des tâches complexes ou dangereuses pour l'homme, effectuer des tâches pénibles ou répétitives ou encore gagner en efficacité et en précision. Quelques exemples : # Capsuleuse Ravoux Tâche répétitive, Cadence élevée. # Robot TRIBAR, inspection des conduites de centrale nucléaire : Tâche dangereuse, nécessitant précision et fiabilité Ch.I – Systèmes automatisés - Systèmes bouclés - p2 # Commandes de vol primaires de l’Airbus A380 Précision, Fiabilité. Définition : Automatique, c'est l'ensemble de théories et de techniques pour la prise de décision et la commande des systèmes. En anglais "Automatic Control" (faux ami : commande). L'automatique est ainsi la discipline scientifique permettant de caractériser les systèmes automatisés et de choisir/concevoir/réaliser la commande des systèmes. Les systèmes de commande s'inspirent le plus souvent de l'homme. II – Classification des systèmes 1. Les différentes natures d'information On a vu (Analyse fonctionnelle, §VII – 1.) qu'à chaque chaîne fonctionnelle d'un système correspond une chaîne d'information et une chaîne d'énergie. L'automatique s'intéresse à la chaîne d'information. Les systèmes automatisés vont alors être classés en fonction de la nature des informations de commande ou de mesure, et également en fonction de la nature du traitement de ces informations. On distingue deux types d'informations : analogiques et discrètes (logiques). Définition : une information (signal) analogique est une information qui peut prendre toutes les valeurs possibles dans un intervalle donné. Les grandeurs physiques, comme la température, la vitesse, la pression, la tension (…) sont des informations analogiques. Une information analogique peut être représentée par une courbe (voir page suivante). Définition : une information (signal) discrète est constituée d'un ensemble fini de valeurs. On distingue : # Information binaire (0 ou 1, vrai/faux, noir/blanc, Tout Ou Rien (TOR)). t a 1 0 Information binaire Ch.I – Systèmes automatisés - Systèmes bouclés - p3 # Information numérique sous la forme d'un mot binaire, constitué de plusieurs variables binaires (bits1). Information généralement issue d'un traitement d'une information analogique (échantillonnage, codage2). t x(t) Information analogique t Variable mesurée échantillonnée ∆t Mot binaire 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 Information numérique 2. Classification des systèmes On peut alors distinguer les systèmes automatisés suivants : Variables logiques - Systèmes automatisés à logique combinatoire Pour un tel système les sorties dépendent exclusivement d'une combinaison des entrées, sans prendre en compte "l'histoire" du système. A un état d'entrées, correspond un et un seul état en sortie. Aucune mémoire des états précédents des entrées et des sorties n'est conservée. L'information logique est traitée de manière instantanée. Les grandeurs y sont manipulées sous formes d'états binaires, ce qui justifie l'utilisation de l'algèbre de BOOLE3, et des notions liées au codage de l'information. Exemple : afficheur sept segments L'information, chiffre compris entre 0 et 9, est fournie par un nombre binaire sur 4 bits, soit pour notre afficheur quatre entrées (E0, E1, E2 et E3) et en sortie les segments seront allumés ou éteints. Pour chaque combinaison des quatre entrées, doit correspondre un et un seul état des sorties, correspondant à l'affichage correct de l'information. Variables logiques - Systèmes automatisés à logique séquentielle Qualifié de système à mémoire généralisée, les sorties du système sont élaborées à partir d'un ensemble de signaux logiques, mais dépendent aussi de la chronologie des événements logiques. "L'histoire" du système est prise en compte. 1 BIT : contraction de binary digit 2 Voir cours d'automatisme, "codage de l'information" 3 BOOLE George (1815 - 1864) : Logicien et Mathématicien anglais , The Mathematical Analysis of logique, 1847. Ch.I – Systèmes automatisés - Systèmes bouclés - p4 En effet les états précédents des entrées et des sorties sont mémorisés, et influent sur l'évolution du système. A une combinaison d'entrées, peuvent correspondre plusieurs combinaisons des sorties. Exemple : ligne de production industrielle de chocolats Le système est une ligne de production industrielle de sujets creux en chocolat (petits et grands sujets, par exemple Père Noël, lapin, œufs, …) Le processus d'injection (réalisé par la doseuse) fait l'objet d'une commande séquentielle. Remarque : à noter que ce système fait aussi appel à une commande asservie pour le dosage précis de la quantité de chocolat des différents sujets. De nombreux systèmes comprennent plusieurs solutions de commande. Variables analogiques ou numériques - Systèmes automatisés continus Les signaux traités sont analogiques ou numériques, et leurs valeurs ne peuvent être prédéterminées. Les sorties (asservies ou non) sont des grandeurs continues pour un processus donné. Systèmes automatisés asservis : ils sont l'objet du cours qui suit, pour de tels systèmes une mesure de la sortie est réalisée en permanence et sa valeur comparée à l'entrée (sortie souhaitée) puis corrigée. Ces systèmes permettent d'obtenir toutes les caractéristiques nécessaires aujourd'hui dans beaucoup de systèmes pluri-techniques [Rapidité, Précision, Stabilité]. Les asservissements sont classés en deux familles : les systèmes régulateurs et les systèmes asservis suiveurs. # Systèmes régulateurs : la consigne d'entrée est fixe, ils sont destinés à assurer une sortie constante. Exemple : Régulation de température # Systèmes asservis suiveurs ou en poursuite d'une loi de référence : la consigne d'entrée varie constamment et l'objectif est d'ajuster en permanence la sortie au signal d'entrée. Exemple : Trajectoire de l'outil d'une machine à commande numérique Ch.I – Systèmes automatisés - Systèmes bouclés - p5 III - Systèmes asservis : systèmes à retour, systèmes bouclés 1. Commande d'un système en chaîne ouverte Un système non perturbé, bien conçu peut donner entière satisfaction, la sortie obtenue étant conforme à la sortie souhaitée, à partir d'une consigne donnée. Système Consigne Sortie Exemples # Direction assistée de véhicule automobile : elle comprend, le volant, la transmission de mouvement (mécanique), l'assistance (hydraulique ou électrique), les roues. Il s'agit bien d'un système à amplification de puissance, la puissance de commande, est amplifiée par l'assistance hydraulique pour obtenir la puissance de sortie. Direction assistée Position angulaire du volant α α α α(t) θ θ θ θ(t) Angle de braquage des roues # Commande de la température d'une salle : Radiateurs Action sur les radiateurs Débit calorique Pièce à chauffer Température mesurée dans la pièce Les deux exemples précédents sont dits des systèmes en boucle ouverte, où chaîne ouverte. Il n'y a pas de retour d'information de la grandeur de sortie. On peut noter qu'il existe plusieurs niveaux plus ou moins détaillés de schématisation, en fonction des besoins de l'automaticien. 2. Insuffisance de la commande en boucle ouverte - Notion de perturbations Cependant lorsqu'une perturbation extérieure intervient sur le système, la valeur obtenue en sortie peut être très différente de la valeur souhaitée. Système Consigne Sortie réelle ≠ ≠ ≠ ≠ Sortie attendue Perturbations Ch.I – Systèmes automatisés - Systèmes bouclés - p6 Exemples # Direction assistée de véhicule automobile : lors de rafales de vent ou d'efforts intempestifs sur les roues, l'angle de braquage souhaité ne sera pas obtenu. Direction assistée Position angulaire du volant α α α α(t) Angle de braquage des roues ≠ ≠ ≠ ≠ de l'angle θ θ θ θ(t) souhaité Rafales de vent, Efforts sur les roues # Commande de la température d'une salle : s'il y a apparition du soleil sur les vitres ou si une fenêtre uploads/Industriel/ ch1-systboucles.pdf