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COURS DE MÉCATRONIQUE I – (M14) Département de génie mécanique Objectifs spécif

COURS DE MÉCATRONIQUE I – (M14) Département de génie mécanique Objectifs spécifiques  Définir un système "mécatronique".  Identifier les éléments d'un système mécatronique.  Identifier les entrées et les sorties d'un système mécatronique.  Connaître les différentes commandes.  Définir la conception selon l'approche mécatronique. Chapitre 1 INTRODUCTION À LA MÉCATRONIQUE Système mécanique hôte capteur actionneur Électronique Électronique Processeur Logiciels signal analogique signal analogique signal numérique signal numérique T able des matières 1. DES EXEMPLES 2 1.1 Dans le secteur automobile 2 1.2 Dans le secteur spatial 7 1.3 Dans le secteur de la production 8 2. L’APPROCHE MÉCATRONIQUE 9 2.1 Évolution historique 9 2.2 Définition de la mécatronique 10 2.3 Les deux flux en mécatronique 11 2.4 Les 7 couches fonctionnelles 12 2.5 Conception d’un système mécatronique 14 2.5.1 Contexte 14 2.5.2 Intégration dans le Processus de Développement de Produit (PDP) 15 3. CAPTEURS ET ACTIONNEURS 16 3.1 Capteurs 16 3.2 Actionneurs 17 4. SIGNAUX 18 4.1 Signal = information 18 4.2 Signaux à temps continu ou à temps discret 19 4.3 Signaux déterministes ou aléatoires 20 4.4 Signaux dans un système mécatronique 20 5. TRAITEMENT DE L’INFORMATION 21 5.1 Les trois phases 21 5.2 Commande par règles logiques 22 5.3 Commande d’événements discrets 23 5.4 Commande en boucle fermée 25 INTRODUCTION À LA MÉCA TRONIQUE 1. Des exemples 1.1 Dans le secteur automobile Le frein ABS Le problème du point de vue de l’usager Les dispositifs de freinage permettent aux automobiles actuelles de répondre aux exigences de performance, de fiabilité et de sécurité de la conduite. Cependant, face à un obstacle ou une situation imprévue, la réaction d’un conducteur est d’appuyer à fond sur la pédale de frein et de chercher à éviter la collision. Il en résulte le blocage des roues, puis le dérapage du véhicule qui finalement échappe totalement au contrôle du conducteur. Bien souvent, seuls les pilotes entraînés sont capables de freiner à la limite de l’adhérence des pneus, et savent garder le contrôle de leur véhicule dans des situations difficiles. C’est pour que tous puissent bénéficier d’un freinage optimal du véhicule que le système ABS (Anti-lock Brake System) a été développé. Ce système permet d’éviter le blocage des roues en régulant la pression dans le circuit de freinage. Le problème du point de vue du concepteur La force de freinage F résulte du produit du coefficient de friction  par le poids dynamique et statique sur la roue W, soit W F   . Sous l’influence du freinage, il y a un glissement du pneumatique par rapport à la route qui s’exprime véhicule e pneumatiqu véhicule     / ) (   en % avec vhl vhl véhicule R V /   la vitesse de rotation du pneu en rad/s s’il n’y avait pas de glissement, e pneumatiqu  la vitesse de rotation du pneumatique et vhl V la vitesse du véhicule en m/s. 1. Introduction à la mécatronique 1.3 Le coefficient de friction  est fonction du glissement relatif . Il augmente de 0, pour un glissement nul (absence de freinage), à une valeur maximale par exemple de 1.0 pour un glissement de k =20%. Au delà de k =20%, le coefficient de friction décroît et le système linéarisé route- pneumatique-roue est instable. Freiner à la limite de l’adhérence consiste donc à maintenir le glissement à la valeur k . Il faut préciser qu’en pratique, le glissement k  donnant le maximum de freinage change selon les conditions de la route (glace, neige, mouillée, sec,…). On ne connaît donc pas sa valeur. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 glissement coefficient de friction Courbe typique de ) (  Le problème est : concevoir un système contrôlant la pression de freinage afin de maintenir le glissement relatif  près de la valeur optimale, mais inconnue, k . Analyse du problème Le développement d’un tel dispositif nécessite de nombreuses études théoriques, simulations et expérimentations. Une seule erreur de conception ne peut être tolérée car il en va de la sécurité des passagers. Dans un premier temps, il est possible d’analyser le problème. Pour cela il faut modéliser le système envisagé, puis le simuler. La figure ci-dessous présente un modèle complet du système de freinage ABS réalisé avec le logiciel Simulink/Matlab (sous Matlab taper : demos ; sélectionner Simulink, puis Complex Models, finalement Anti-lock brake system). Ce simulateur inclut la dynamique du véhicule, le comportement du circuit hydraulique, une relation ) (  , et un algorithme de contrôle sommaire basé sur une connaissance a priori de la valeur k  (donc non réaliste). ABS Braking Model Developed by Larry Michaels The MathWorks, Inc Double click to run model and plot the results mu-slip friction curve s 1 Wheel Speed m*g/4 Weight 1/Rr Vehicle speed (angular) s 1 Vehicle speed slp yout s 1 Stopping distance STOP Scope Rr 1.0 - u(1)/(u(2) + (u(2)==0)*eps) Relative Slip Mux 100 TB.s+1 Hydraulic Lag Kf Force & torque 0.2 Desired relative slip ctrl s 1 Brake pressure Bang-bang controller 1/I -1/m tire torque brake torque Ff Schéma bloc modélisant le système de freinage ABS sous Simulink. La figure suivante présente une séquence les résultats délivrés par le simulateur. 1. Introduction à la mécatronique 1.4 0 5 10 15 0 20 40 60 80 Vehicle speed and wheel speed Speed(rad/sec) Time(secs) Vehicle speed (v) Wheel speed (w) 0 5 10 15 -2 -1 0 1 2 Commande de l'électrovanne versus le temps temps (sec) commande de la valve 0 5 10 15 0 200 400 600 temps (sec) Couple de freinage (Nm) Résultat de la simulation d’un freinage avec action automatique du frein ABS à partir de l’instant 6s. À gauche : vitesses de la roue et du véhicule, à droite : commande de l’électrovanne et couple de freinage (Nm). L’interprétation des simulations est la suivante. Au début du freinage, il n’y a pas de glissement. Dès le dépassement de la valeur optimale du glissement relatif (20% typiquement) entre le pneumatique et la route, la pression de freinage est automatiquement relâchée. De 0s à 6s, le véhicule ralentit et le glissement relatif augmente (l’écart entre les deux courbes). À partir de 6s, le glissement relatif devient trop important : l’électrovanne est désactivée, le couple de freinage est réduit, et donc la vitesse de la roue décroît moins vite. Puis, dès que le glissement devient inférieur à 20%, l’électrovanne est activée, le couple de freinage augmente, et la vitesse de la roue décroît plus vite. Cette séquence de « pompage » se répète jusqu’à l’arrêt complet du véhicule. Ainsi, le glissement est maintenu autour de 20% : c’est la valeur optimale. Cependant, à cause de la complexité du système ABS, l’algorithme de contrôle implanté ne se résume pas à un contrôleur de type « Bang-bang ». En fait, il faut considérer différentes actions selon la situation de freinage. Le diagramme d’état simplifié ci-dessous permet de représenter les différents cas à considérer. La décision de passer d’un état à l’autre est basée sur l’observation de l’accélération de la roue. Par exemple, une accélération négative (une décélération) trop importante de la roue en phase de freinage va impliquer un relâchement rapide et immédiat de la pression de freinage. Par contre, une accélération trop importante de la roue impliquera une augmentation de la pression de freinage. Freinage normal Décrois- sance Maintient pression Fin du Freinage Relâche lent Relâche rapide Représentation du diagramme d’état d’un système ABS. 1. Introduction à la mécatronique 1.5 La réalité de conduite d’un véhicule équipé d’ABS incite à plusieurs remarques : - Aucune détérioration du pneu en freinage n’est possible avec l’ABS car il n’y a aucun glissement du pneu. - Sur route mouillée, les distances d’arrêt peuvent être considérablement raccourcies par rapport aux roues bloquées. De plus, dans ce cas, le conducteur peut manœuvrer et contourner un obstacle. - Si, sur routes sèches, mouillées ou verglacées, l’ABS permet plus ou moins de raccourcir la distance d’arrêt, il n’en est pas de même pour les sols recouverts de sable, gravier, neige fraîche, boue...etc. Les pneus bloqués rentrent davantage dans le sol et accumulent dans ce cas un amas devant eux, établissant ainsi une résistance supplémentaire. La décélération est donc plus forte qu’en fonctionnement de l’ABS. Sous-systèmes constituant un système anti-blocage  Des capteurs pour mesurer les vitesses des roues.  Des électrovannes pour moduler la pression de freinage dans le circuit hydraulique en fonction des commandes du microprocesseur.  Un calculateur qui commande la pression du circuit de freinage en fonction de la vitesse des roues. Les signaux des capteurs permettent au calculateur de déterminer les vitesses, les accélérations, les décélérations et le glissement des roues. Prises toutes seules, ces informations ne peuvent renseigner de manière satisfaisante le calculateur. Il doit procéder à une combinaison logique des ces données pour estimer s’il y a glissement. Si la réponse est positive, il réduit la pression de freinage en commandant les électrovannes du circuit hydraulique. uploads/Industriel/ 01-introduction.pdf