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Commande numérique Identifier les schémas de principe se rapportant à la struc

Commande numérique Identifier les schémas de principe se rapportant à la structure du µordinateur et à ses liens fonctionnels avec les périphériques et avec le procédé lui-même; Déterminer et analyser le comportement dynamique d’un système échantillonné; Concevoir un système de commande numérique, le simuler et le mettre en œuvre. Objectifs généraux 08/02/2017 Filière : LP Mécatronique 1 Chap 1: Généralités sur la commande numérique Chapitre 1. Généralités sur la commande numérique 1: Aperçu sur Introduction des calculateurs numériques dans la commande 1.1: Généralités sur la commande des procédés industriels 1.2: Evolution des technologies des systèmes de commande 1.3: Technologie 2 08/02/2017 2: Architecture, fonctions et caractéristiques du calculateur temps réel 2.1: Architecture du calculateur temps réel 2.2: Fonctions du calculateur temps réel 2.3: Caractéristiques du calculateur temps réel 3: Conversion des signaux: CAN et CNA (Aperçu) 3.1: Conversion analogique / numérique 3.2: Conversion numérique / analogique Chap 1: Généralités sur la commande numérique 3 1 : Aperçu sur l’introduction des calculateurs numériques dans la commande Procédé Grandeur réglante Capteur Actionneur Perturbations Commande Grandeur mesurée Contrôleur Consigne Objectifs de la commande techniques: stabilité, précision, rapidité, robustesse, respect des contraintes opérationnelles, commandes excessives et rapides sont à éviter, etc. économiques : coût minimum, qualité maximum et reproductibilité environnementales : respect des contraintes environnementales Grandeur réglée 1.1: Généralités sur la commande des procédés industriels Structure Chap 1: Généralités sur la commande numérique 08/02/2017 4 08/02/2017 En général, les variables mesurées et les variables manipulées d’un procédé industriel peuvent être groupées en quatre grandes familles : Signaux analogiques (continues dans le temps et caractérisés par leur niveau, leur forme ou leur fréquence) Signaux binaires (Tout Ou Rien) TOR: Perturbations Entrées Sorties Procédé industriel Train d’impulsions Signaux échantillonnées Exemples: vanne ouverte/fermée, marche/arrêt. Exemple: moteurs pas à pas Exemple: voir ci après Chap 1: Généralités sur la commande numérique Nature des informations échangées 1 : Aperçu sur l’introduction des calculateurs numériques dans la commande 5  Régulateurs pneumatiques ou hydrauliques, 08/02/2017 1.2: Evolution des technologies des systèmes de commande Toutefois, ces technologies présentent les limites suivantes:  Dégradations des performances des régulateurs: Ces technologies sont rigides et volumineuses (la modification de lois de commande nécessite la modification, d’un point de vue matériel, du régulateur), elles sont plus perméables aux bruits, le coût de la maintenance est élevé, etc.  Pertes économiques et d’énergie : La capacité maximale de l’unité n’est pas souvent atteinte suite à l’utilisation de lois de commande simples (PID) et partant, l’optimalité est sacrifiée au profit de la sécurité.  Régulateurs électroniques analogiques à base d’amplificateurs opérationnels. Chap 1: Généralités sur la commande numérique 1 : Aperçu sur l’introduction des calculateurs numériques dans la commande Les régulateurs utilisés sont : 6 L’utilisation de ces technologies n’est plus justifiée de nos jours; les raisons sont multiples :  Les unités de production sont de plus en plus complexes;  Le coût et la qualité de la matière première et de l’énergie varient ;  Les besoins du marché fluctuent, les exigences ne cessent d’augmenter,  La concurrence du marché est de plus en plus féroce,  Le développement des systèmes informatiques est sans cesse croissant : capacité et coût D’où l’intérêt grandissant pour la technologie numérique. La raison principale de l’utilisation de cette technologie est que les µordinateurs sont programmables et présentent de grandes capacités de traitement et de mémorisation permettant de remédier aux problèmes susmentionnés posés par le contrôle commande des procédés industriels. 1 : Aperçu sur l’introduction des calculateurs numériques dans la commande Cette technologie est basée sur l’introduction des calculateurs numériques dans la conduite des procédés industriels: on obtient des systèmes numérique de contrôle commande. 1.3: Technologie numérique 1.3.1: Pourquoi ? 6 08/02/2017 • facilité de configuration et de paramétrage, • dialogue homme machine, • transfert de l’expertise humaine vers la machines (intelligence artificielle, systèmes experts), • transmission de données sur de très longues distances. Par ailleurs, cette technologie présente d’autres avantages, à savoir: Chap 1: Généralités sur la commande numérique 1 : Aperçu sur l’introduction des calculateurs numériques dans la commande De part ses capacités, le calculateur numérique permet d’assurer les fonctions suivantes :  Collecte des informations: lire des données émanant du procédé.  Surveillance: détecter les conditions de fonctionnement anormales, les signaler (alarmes) et les enregistrer (aide à l’entretien).  Gestion : établir les bilans de production journaliers.  Optimisation (supervision) : déterminer et fixer le point de fonctionnement optimal.  Commande : élaborer les signaux de commande et les applique aux procédés I.3.2: Fonctions du calculateur numérique dans la conduite automatique 6 Procédé Capteur Actionneur Perturbations Système de commande numérique Algorithme de commande C(t) C N / A C A / N CA/N Cn en u(t) un e(t) y(t) ymn ym(t) 1 : Aperçu sur l’introduction des calculateurs numériques dans la commande Toutefois , comme l’illustre figure ci-dessus, l’utilisation de la technologie numérique nécessite à son tour d’aborder, d’un point de vue théorique et technique, les opérations suivantes:  Echantillonnage et quantification d’un signal continu : Prélever, à intervalle de temps régulier, appelé période d’échantillonnage les informations prises par un signal continu et les quantifier. Cela signifie que le calculateur ne tiendra compte que des échantillons (valeurs prises par le signal aux instants d’échantillonnage).  Conversion analogique / numérique: Convertir la valeur prise par un signal analogique à l’instant d’échantillonnage en une valeur numérique afin qu’elle puisse être traitée par le calculateur. A titre d’exemple, la figure qui suit illustre la structure d’un système de commande numérique : Numérique Analogique 7 08/02/2017 Chap 1: Généralités sur la commande numérique 1 : Aperçu sur l’introduction des calculateurs numériques dans la commande Conversion numérique/ analogique : Transformer le signal numérique issu du calculateur à l’instant d’échantillonnage en signal analogique de commande existant sur toute la période d’échantillonnage, l’objectif étant de commander le système physique. Synthèse des lois de commande: Etablir une loi d’évolution du signal de commande numérique en fonction des signaux de mesure et de référence, également numériques, afin de permettre au système asservi de satisfaire le cahier des charges retenu. D’un point de vue mise en œuvre, deux aspects sont à traiter; à savoir: Aspects matériels: interfaces CA/N et CN/A, multiplexage, etc. Aspects logiciels: codage et décodage, programmation de type temps réel, etc. Echantillonnage Quantification Ce qui nécessite également d’aborder d’un point de vue théorique, les problèmes posés par cette technologie à savoir : 10 08/02/2017 Somme toute, et en dépit des problèmes susmentionnés, la technologie numérique est très utilisée, comme organe de contrôle commande automatique dans les différents secteurs industriels. Parmi les applications industriels on peut citer: - Centrales de productions d’énergie électrique - Usines de valorisation des mines - Raffineries de pétrole, - Industrie chimique, - Cimenteries, - Systèmes de transport (véhicules, transport ferrovier, transport maritime) - Robotique, - Industrie Agroalimentaire, - etc. Chap 1: Généralités sur la commande numérique 1 : Aperçu sur l’introduction des calculateurs numériques dans la commande I.3.3: Applications industrielles de la conduite numérique 11 Procédés industriels (3) Horloge temps réel Interfaces des Signaux binaires Interfaces des impulsions Convertisseurs CAN et CNA (1) Calculateur C (2) Interfaces Calculateur temps réel Le couplage entre le calculateur et les procédés industriels à des fins de contrôle commande et la diversité des données à échanger (données binaires, train d’impulsions et données analogiques) fait appel à de nouveaux composants à savoir: l’horloge temps réel et les interfaces appropriées (voir figure qui suit). 2.1: Architecture du calculateur temps réel A C A C A C: capteurs A: actionneurs 2 : Architecture, fonctions et caractéristiques du calculateur temps réel 12  Unité arithmétique : effectuer les opérations arithmétiques et logiques  Mémoire (ROM et RAM): stocke le programme et les données.  Unité de contrôle : décode les instructions, transmet les ordres aux divers unités et assure le dialogue homme machines à travers les périphériques.  Interfaces: assure l’échange d’informations entre les différentes éléments (voir figure ci contre).  Périphériques : permettent le dialogue homme / machine. a: Calculateur (Rappels) Unité arithmétique et logique Mémoires Interfaces entrées /sorties Unités de contrôle Périphériques Ecran, clavier, mémoires externes, etc. Architecture 08/02/2017 Chap 1: Généralités sur la commande numérique 2 : Architecture, fonctions et caractéristiques du calculateur temps réel L’objet du présent paragraphe est de passer en revue les principaux composants calculateur temps réel: le calculateur, les interfaces et l’horloge temps réel. 13  nombres : entiers, réels, complexes  informations logiques: vrai ou faux  alphanumériques : nombres, caractères, ..  instructions: arithmétiques, logiques, opérations de transfert 1 0 0 0 1 0 1 1 Mot à 2 bytes 1 0 0 0 1 0 1 1 La précision et la capacité d’un ordinateur sont déterminés par la longueur des mots qu’il peut traiter simultanément. Exemple : machines à 16 bits, à 32 bits, etc. Les types d’information que manipulent les calculateurs sont: L’ensemble des ces informations doivent être converties en une seule représentation formée d’une suite de bits (mot) pour que le calculateur puisse les traiter . Représentation de l’information Les différent circuits de l’ordinateur traitent l’information sous uploads/Industriel/ ddc-generalites-pdf.pdf