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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 Djillali Liabès – Sidi Bel-Abbès Faculté de Technologie Département d'Electrotechnique Partie 1 Automatique 1 et 2 (Asservissements Linéaires Continus) Niveau : 3ème Année Licence 1ère Année Master Parcours : Automatisme industriel Dernière mise à jour : Novembre 2013 Préparé et enseigné par : Prof. Mohammed-Karim FELLAH Professeur de l'enseignement Supérieur mkfellah@yahoo.fr Cours d'asservissements linéaires continus (2013-2014) Licence et Master « Automatisme Industriel » (Prof. FELLAH M.K.) 2 AVANT–PROPOS Ce document s'adresse aux étudiants de la formation d'ingénieur, de Licence et de Master dans le cadre des programmes officiels. Mais bien entendu il peut être étudié par tous ceux en 1er cycle, en 2ème cycle, ou même en post-graduation, qui désirent approfondir leurs connaissances ou avoir un document de base en matière d'asservissement. La commande et l'interprétation du comportement de procédés industriels ou de phénomènes physiques naturels font partie des tâches qui incombent à l'ingénieur. Ce dernier est confronté à une réalité qu'il lui faudra domestiquer et/ou comprendre pour en tirer le meilleur parti. Au centre de cette connaissance se trouve le concept de système, concept que l'on retrouve dans un grand nombre de disciplines et techniques : contrôle de procédé, techniques d'optimisation, traitement du signal, filtrage, mathématique des équations différentielles, etc. Dans le cadre de ce cours, nous nous intéressons principalement à l'étude des "systèmes" à la fois continus et linéaires, qui sont représentés sous forme de fonction de transfert (représentation externe, dite encore de la "boîte noire") ; ces trois conditions volontairement limitatives permettent d'introduire de façon simple les principaux concepts de l'automatique. Ce texte constitue la transcription fidèle d'un cours oral magistral traité au département d'Electrotechnique, à l'université de Sidi Bel-Abbès pour les étudiants en formation de Licence et Master (différents parcours). Le but recherché n'est donc pas d'épuiser le sujet, mais d'essayer d'en dégager les idées essentielles, simplifiées, quand cela est nécessaire, dans un but didactique. En conséquence, l'accent est mis sur les explications physiques et les exemples, plutôt que sur les démonstrations, mais celles-ci sont également traitées en détail surtout lorsqu'elles sont indispensables à la bonne compréhension du résultat. Pr. FELLAH Mohammed-Karim Cours d'asservissements linéaires continus (2013-2014) Licence et Master « Automatisme Industriel » (Prof. FELLAH M.K.) 3 Chapitre 1 : INTRODUCTION AUX ASSERVISSEMENTS 1- 1 - Introduction à l’automatique L'automatique est généralement définie comme la science qui traite des ensembles qui se suffisent à eux-mêmes et où l'intervention humaine est limitée à l'alimentation en énergie et en matière première. L'objectif de l'automatique est de remplacer l'homme dans la plupart des tâches (tâches répétitives, pénibles, dangereuses, trop précises, trop rapides) qu'il réalise dans tous les domaines sans intervention humaine. Les systèmes automatiques permettent donc : * de réaliser des opérations trop complexes ou délicates ne pouvant être confiés à l'homme, * de se substituer à l'opérateur pour des tâches répétitives, * d'accroître la précision, * d'améliorer la stabilité d'un système et sa rapidité. De tels dispositifs se rencontrent fréquemment dans la vie courante, depuis les mécanismes biologiques du corps humain jusqu'aux usines entièrement automatisées. Une telle science englobe un grand nombre de disciplines et, par conséquent, un automaticien devrait être à la fois : * Mathématicien * Electricien * Mécanicien * Economiste 1- 1.1 - Exemple Nous sommes entourés d'un grand nombre de systèmes automatiques, machine à laver, ascenseur, distributeur de boisson, robot, suivi de trajectoire d’un missile. 1- 1.2 - Classification Le domaine des applications de l'automatique est très vaste et varié, mais l'observation de l'industrie contemporaine conduit à une certaine classification qui se résume en deux grandes familles selon les données que traitent ces systèmes : * Les automatismes séquentiels * Les asservissements Ces deux parties de l'automatique sont nettement différentes, elles s'appuient sur des notions théoriques qui n'ont que de lointains rapports entre elles et les techniques qui permettent de les réaliser sont, aussi, très différentes. Cours d'asservissements linéaires continus (2013-2014) Licence et Master « Automatisme Industriel » (Prof. FELLAH M.K.) 4 1- 1.2.a - Les automatismes séquentiels C'est la branche de l'automatique qui organise le déroulement des différentes opérations relatives au fonctionnement d'un ensemble complexe. Un automatisme à séquence impose l'ordre dans lequel les opérations se déroulent, s'assure que chaque opération est bien terminée avant d'aborder la suivante, décide de la marche à suivre en cas d'incidents. Bien entendu, un automatisme séquentiel peut avoir à contrôler des asservissements et des régulateurs (voir § 1- 1.2.b) parmi les ensembles qu'il gère. Ce type d'automatisme est utilisé par exemple dans la mise en route et l'arrêt d'installations complexes (centrales automatiques), sur les machines outils et, en général, dans presque toutes unités de production automatisées. Il faut noter également que toutes les séquences d'alarme et de sécurité industrielle font partie des applications de ce type d'automatisme. Les automatismes sont des systèmes logiques qui ne traitent que des données logiques (0/1, vrai/faux, marche/arrêt,...). Ils utilisent les moyens de commutation offerts par l'électronique (circuit logique) et la mécanique (logique pneumatique). Le calcul de ces automatismes impose de connaître l'algèbre de Boole et la théorie des circuits séquentiels. Ils sont classés en 2 branches : * Systèmes combinatoires : les sorties du système ne dépendent que des variables d’entrées. * Systèmes séquentiels : les sorties dépendent bien sûr de l’évolution des entrées mais aussi de l’état précédent des sorties. Exemple : Machine à laver, manipulateur pneumatique, ascenseur, distributeur de boissons. 1- 1.2.b - Les asservissements Un système asservi est un système qui prend en compte, durant son fonctionnement, l'évolution de ses sorties pour les modifier et les maintenir conforme à une consigne. Cette branche de l’automatique se décompose en deux autres sous branches (séparées artificiellement par l'usage) : * Régulation : maintenir une variable déterminée, constante et égale à une valeur, dite de consigne, sans intervention humaine. Exemple : Régulation de température d'une pièce. * Systèmes asservis : faire varier une grandeur déterminée suivant une loi imposée par un élément de comparaison. Exemple : Régulation de la vitesse d'un moteur, Suivi de trajectoire d'un missile. L’asservissement est essentiellement analogique et utilise la partie analogique des trois moyens de base dont on dispose : mécanique, électrotechnique et électronique. La théorie des asservissements nécessite une bonne base mathématique classique. Cours d'asservissements linéaires continus (2013-2014) Licence et Master « Automatisme Industriel » (Prof. FELLAH M.K.) 5 1- 1.3 - Systèmes continus et invariants * Système continu : un système est dit continu lorsque les variations des grandeurs physiques le caractérisant sont des fonctions du type f(t), avec t une variable continue, le temps en général. On oppose les systèmes continus aux systèmes discrets (ou échantillonnés), par exemple les systèmes informatiques. * Système invariant : On dit qu’un système est invariant lorsque les caractéristiques de comportement ne se modifient pas avec le temps. 1- 1.4 - Evolution de l'automatique Ces dernières années, l’automatique s’est considérablement modernisée, surtout depuis l’avènement des calculateurs numériques. Les systèmes automatiques conduits par calculateurs assurent la quasi-totalité des tâches : * ils collectent et traitent les informations issues des capteurs qui fournissent l'ensemble des variables d'entrée. * ces variables d'entrée constituent les données sur lesquelles des calculs numériques seront effectués. Ils correspondent à la résolution numérique de systèmes d'équations qui constituent le "modèle mathématique". * le résultat de ce traitement fourni en binaire est converti en variables continues et est injecté dans le processus, afin de modifier son évolution dans un sens désiré. En plus de ces tâches qui sont classiques en automatique, le calculateur joue un rôle optimalisateur. C'est-à-dire qu'il exécute le travail à faire aux meilleures conditions économiques en minimisant les déchets, en tenant compte du carnet de commande, etc. Cet aspect, lui, est nouveau. Ce genre de problème était traité séparément. Ce procédé permet de tenir compte d'un nombre considérable de variables, donc de traiter des problèmes jusqu'alors impossibles. En plus, il fait intervenir directement les variables économiques au niveau de chaque organe (moteur, pompe, etc ...). Or, jusqu'à présent, les variables économiques n'intervenaient que globalement. Il permet donc de traiter ce problème de façon beaucoup plus rationnelle. Les systèmes automatiques conduits par calculateurs nécessitent une bonne connaissance de la programmation en langage machine, de fortes connaissances mathématiques (pour élaborer le modèle) et surtout une connaissance parfaite du processus à réguler, ce qui est le plus délicat. Ceci nécessite encore de bonnes connaissances en théorie de l'information, en statistique et en recherche opérationnelle. 1- 2 - Boucle de régulation 1- 2.1 - Notion d'asservissement L'objectif d'un système automatisé est de remplacer l'homme dans une tâche donnée. Nous allons, pour établir la structure d'un système automatisé, commencer par étudier le fonctionnement d'un système dans lequel l'homme est la " partie commande ". Exemple : conducteur au volant d'un véhicule Le conducteur doit suivre la route. Pour cela, Il observe la route et son environnement et évalue la distance qui sépare son véhicule du bord de la route. Il détermine, en fonction du contexte, l'angle qu'il doit donner au volant pour suivre la route. Il agit sur le volant (donc sur le uploads/Industriel/ cours-complet-automatique.pdf