Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Module : les métiers de sciences Prof : GS Automatique Généralités : L’automat

Module : les métiers de sciences Prof : GS Automatique Généralités : L’automatique est une science qui traite de la modélisation, de l’analyse, de l’identification et de la commande des systèmes dynamiques. Elle inclut la cybernétique au sens étymologique du terme, et a pour fondements théoriques les mathématiques, la théorie du signal et l’informatique théorique. L’automatique permet de contrôler un système en respectant un cahier des charges (rapidité, dépassement, stabilité…). Les professionnels en automatique se nomment automaticiens. Les objets que l’automatique permet de concevoir pour procéder à l' automatisation d' un système (automates, régulateurs, etc.) s'appellent les automatismes ou les organes de contrôle- commande d'un système piloté. Un exemple simple d' automatisme est celui du régulateur de vitesse d’une automobile: il permet de maintenir le véhicule à une vitesse constante prédéterminée par le conducteur, indépendamment des perturbations (pente de la route, résistance du vent, etc.). James Clerk Maxwell, dans son article « On Governors » (1868), définissait ainsi le système de régulation qu'il avait inventé: « A governor is a part of a machine by means of which the velocity of the machine is kept nearly uniform, notwithstanding variations in the driving-power or the resistance ». Cette définition est une excellente introduction à l'automatique. Historique : Préhistoire de l’automatique : On peut faire remonter les débuts de l’automatique à l’Antiquité. Par exemple, les Romains régulaient le niveau d’eau des aqueducs grâce à un système de valves. Au XVIe siècle, Cornelis Drebbel a conçu l'asservissement de température d'un four en combinant des effets thermiques et mécaniques ; alchimiste, Drebbel espérait grâce à ce four « l'athanor » transformé le Plomb en Or. Puis, Module : les métiers de sciences Prof : GS au XVIIe siècle, Robert Hooke et Christian Huygens conçu des régulateurs de vitesse (pour les moulins à vent en ce qui concerne Huyghe ns). En 1769 James Watt a conçu son fameux régulateur à boules pour la régulation de vitesse des machines à vapeurs. Parmi d’autres pionniers de l’automatique, il convient d’évoquer l’astronome Airy (vers 1840), James Clerk Maxwell (son article On governors, déjà mentionné, est le premier article mathématique sur la théorie du contrôle), Ivan Alexeïevitch Vichnegradski (1876) ; et, bien entendu, les mathématiciens Adolf Hurwitz et Edward Routh (auteurs du critère de stabilité qui porte leur nom, datant de la fin du XIXe siècle), ainsi que les Français Liénard et Chipart, qui ont amélioré en 1914 le Critère de Routh-Hurwitz. On peut citer aussi Alexandre Liapounov, qui a présenté en 1892 sa thèse fondamentale sur la stabilité des équations différentielles, ainsi que tous les mathématiciens qui ont contribué à la théorie de la stabilité. Ces derniers travaux, qui mènent à une époque assez récente, sont néanmoins à caractère essentiellement mathématique. L’automatique fréquentielle : L’histoire de l’automatique proprement dite commence avec les fameux chercheurs des laboratoires Bell (fondés en 1925): Harold Stephen Black et Nathaniel Nichols , qui ont conçu leur célèbre diagramme, Harry Nyquist qui, le premier sans doute, a compris le problème de stabilité que posent les systèmes bouclés, enfin et surtout Hendrik Wade Bode. Ce dernier est très connu par son diagramme, mais son œuvre maîtresse est son livre Network Analysis and Feedback Amplifier Designer, édité juste après la seconde guerre mondiale, qui marque la maturité de l’automatique fréquentielle. Les systèmes échantillonnés : Il faut mentionner aussi les pionniers de l’automatique à temps discret : l’Américain Claude Shannon, lui aussi chercheur aux laboratoires Bell, le Russe Yakov Zalmanovitch Tsypkin, l'Américain Eliahu Jury enfin, auteur du critère correspondant à celui de Routh-Hurwitz mais pour les systèmes à temps discret. Une découverte fondamentale est le théorème de l'échantillonnage, attribué par de nombreux auteurs à Nyquist et Shannon, mais auquel il faut aussi associer, entre autres Edmund Taylor Whittaker et Vladimir Kotelnikov. La commande optimale : Dans les années 1950, d’autres approches de l’automatique se préparent : en Russie avec Lev Pontryagin et ses collaborateurs, aux Module : les métiers de sciences Prof : GS États-Unis avec Richard Bellman. Pontryagin conçoit le Principe du Maximum pour la commande optimale. Il s’agit d’une extension du Calcul des variations, avec « variations fortes » qui permettent d’obtenir une condition de maximum à la place de l’égalité d’Euler. Bellman invente la programmation dynamique, d’où il déduit l’équation d’Hamilton-Jacobi-Bellman, généralisation de l’équation d’Hamilton-Jacobi du Calcul des variations. La représentation d’état : Les découvertes qui viennent d’être évoquées jouent bien sûr un rôle essentiel dans la théorie de la commande optimale, mais elles ont également conduit à la notion de représentation d’état. C’est Rudolf Kalman qui, en 1960, a fait la théorie (presque) complète de ces systèmes dans le cas linéaire. Il a notamment mis en évidence les notions fondamentales de commandabilité et d’observabilité. La même année (son "annus mirabilis"), il faisait la théorie de la commande optimale linéaire quadratique (par application des résultats de Pontryagin et de Bellman) et sa « version duale », le filtre de Kalman qui généralise le filtre de Wiener. Puis quelques mathématiciens, dont Harold J. Kushner, développent la commande optimale stochastique. Applications de l’algèbre et de la géométrie différentielle : S’ouvre alors une nouvelle ère de l’automatique, avec des travaux de nature algébrique (pour les systèmes linéaires) ou relevant de la géométrie différentielle (dans le cas des systèmes non linéaires). Pour ce qui concerne les systèmes linéaires, un livre célèbre de W. M. Wonham, dont la première édition date de 1974 (mais qui a été plusieurs fois réédité), marque l’apogée de cette période. Concernant les systèmes non linéaires, un livre d'Alberto Isidori, dont la première édition date de 1985, puis plusieurs fois réédité et augmenté, a eu une influence considérable. La robustesse : Bien que la notion de robustesse ait été prise en compte dans des approches fréquentielles traditionnelles, telles que la « théorie quantitative du bouclage » développée par Isaac Horowitz dès 1963, c'est vers la fin des années 1970 que la problématique de la commande robuste, qui était complètement occultée dans une approche uniquement algébrique, est apparue comme incontournable. La commande optimale « linéaire quadratique » a des propriétés de robustesse intrinsèques (marge de phase d'au moins 60°, etc.), du moins dans le cas des systèmes monovariables, comme il Module : les métiers de sciences Prof : GS résulte d'un article publié par Kalman dès 1964. La question s'est donc posée de savoir si cette propriété se conserve en présence d'un observateur. Or en 1978, John Doyle, un des pionniers de la théorie de la robustesse, a montré qu’une commande linéaire quadratique gaussienne (LQG) (dont l'observateur est un filtre de Kalman) peut n’avoir aucune propriété de robustesse. Le formalisme H-infini, établi par le mathématicien Godfrey Harold Hardy dès le début du XXe siècle, mais introduit en 1981 par George Zames dans le domaine de l' automatique, s’est avéré utile pour formaliser les problèmes de commande robuste. Il a été rapidement associé à des techniques d’optimisation convexe fondées sur des « inégalités matricielles linéaires » (LMI) qui ont pu conduire à des méthodes de synthèse (parfois excessivement) complexes. Applications de l’analyse algébrique et de l’algèbre différentielle : Enfin, depuis le début des années 1990 se développe une nouvelle approche de l’automatique linéaire fondée sur la théorie des modules (plus précisément, des D-modules) et l’analyse algébrique (branche des mathématiques fondée sur les idées d'Alexandre Grothendieck, puis développée par Mikio Satō, Masaki Kashiwara et, pour ce qui concerne les systèmes d'équations différentielles, Bernard Malgrange). On peut évoquer ici l’approche « behaviorale » de Jan C. Willems, ainsi que les travaux de Michel Fliess (qui a également appliqué aux systèmes non linéaires des méthodes issues de l'algèbre différentielle et est à l'origine, avec trois autres automaticiens, de la notion de « système plat »), d’Ulrich Oberst, ainsi que de leurs divers collaborateurs et émules. M E T I E R S D E L ' A U T O M A T I Q U E Ingénieur/Technicien en automatisme : Le technicien ou ingénieur en automatismes connaît tout des robots et automates programmables, de leur conception à leur mise en service, en passant par leur maintenance. Il peut travailler dans les industries manufacturières, les industries de transformation, dans la domotique mais aussi dans les machines spéciales. Certains sont spécialisés dans les industries de procédés comme la cimenterie, l'exploitation pétrolière ou les industries chimiques, la plupart d'entre eux occupent des fonctions d'ingénieur contrôle commande ou d'instrumentation. Il doivent maitriser les principaux systèmes numériques de contrôle Module : les métiers de sciences Prof : GS commande comme Foxboro de Delta V ou PCS7 de Siemens et être expérimenté en asservissement et régulation industrielle. Les automaticiens qui se spécialisent dans la création de machines spéciales doivent être polyvalents maitrisants la mécanique avec les logiciels comme SEE Electrical ou Autocad ou encore Catia, la pneumatique, l'hydraulique et l'électrotechnique. Les automaticiens qui se spécialise dans l'informatique industrielle quant à eux doivent connaitre sur le bout des doigts les réseaux industriels ou bus de terrains, les bases de données et les modes de communications avec les automates programmables. L’ingénieur en automatisme est le maître d’œuvre uploads/Industriel/ 5-eme-cours-de-module-decouvert.pdf