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Cours 03 - Introduction à l’automatique Lycée Bellevue Toulouse – CPGE MPSI/PCS

Cours 03 - Introduction à l’automatique Lycée Bellevue Toulouse – CPGE MPSI/PCSI Florestan MATHURIN Page 1 sur 9 Introduction à l’automatique E Ex xe em mp pl le es s d de e S SL LC CI I d de e l la a s sa al ll le e d de e T TP P S SI II I Robot jockey, Direction Assistée Electrique, Maxpid, cordeuse de raquette ... 1. Définitions Système automatique : Un système automatique est un système dont les éléments le constituant coordonnent entre eux pour réaliser des opérations et pour lequel l'intervention humaine est limitée à la programmation du système et à son réglage préalable. Le but d'un système automatique est de : • Réaliser des tâches trop complexes ou dangereuses pour l'homme Exemple : Module d’exploration Martien • Substituer la machine à l’homme pour faire des tâches répétitives et pénibles Exemple : Bras de soudage de chaîne d’assemblage automobile • Accroître la précision Exemple : Robot chirurgical Automatique : L'automatique est la discipline scientifique traitant, d'une part, de la caractérisation des systèmes automatiques et d'autre part, du choix de la conception et de la réalisation du système de commande afin d’obtenir, en sortie du système, un comportement déterminé. Les systèmes de commande automatiques s'inspirent le plus souvent du comportement de l'homme. Exemple : Voiture avec système de stationnement automatique (Xpark) Cours 03 - Introduction à l’automatique Lycée Bellevue Toulouse – CPGE MPSI/PCSI Florestan MATHURIN Page 2 sur 9 2. Bref historique L'automatique a pour étymologie le mot automate, mais pour origine scientifique la régulation et les techniques utilisées pour mettre en œuvre la régulation. De l'antiquité jusqu'au 19ème siècle, on rencontre des mécanismes construits de manière intuitive. On peut citer l'exemple : • de la Clepsydre (horloge à eau inventée par Ctesybios 250 av. J.C.) • du régulateur de Watt qui a pour but de maintenir constante la vitesse de rotation d'une turbine à vapeur (1788). C’est par le développement de l’électronique, avec en particulier l’intégration des calculateurs numériques (calcul opérationnel), que cette discipline a acquis par la suite ses lettres de noblesse tant sur le plan des réalisations que sur le plan théorique. Pendant de nombreuses années, les régulateurs se sont limités à la classique structure « PID » car toutes les solutions plus élaborées étaient difficiles à réaliser industriellement Aujourd’hui, l’évolution de l’électronique vers des solutions numériques qui se traduisent par l’intégration de calculateurs numériques puissants, la création de langages de haut niveau maîtrisant les problèmes liés au temps « réel », voire une approche entièrement graphique de la programmation, offrent un développement quasiment sans limite des méthodes modernes de l’automatique. 3. Classification des systèmes automatiques Les systèmes automatiques sont classés en fonction de la nature de leurs informations de commande et de mesure. On distingue deux types d'informations : analogiques et discrètes. Information (signal) analogique Une information analogique peut prendre, de manière continue, toutes les valeurs possibles dans un intervalle donné. Un signal analogique peut être représenté par une courbe continue. Exemple : les grandeurs physiques (température, vitesse, position, tension, ...) sont des informations analogiques. Information (signal) discrète Une information discrète est constituée d'un nombre fini de valeurs. On distingue : • une information logique du type « vrai/faux » ou « 0/1 ». Elle est associée à l'état d'une variable qui ne peut prendre que deux valeurs possibles. Ces informations peuvent aussi être appelées des informations binaires (bit) ou « Tout Ou Rien » (TOR). • une information numérique sous la forme d'un mot binaire, constitué de plusieurs bits (variables binaires 0/1). Cette information numérique est en général issue d'un traitement (échantillonnage et codage) d'une information analogique (on parle de Conversion Analogique Numérique CAN). Signal analogique (à gauche) et signal numérique (échantillonné puis codé) (à droite) Cours 03 - Introduction à l’automatique Lycée Bellevue Toulouse – CPGE MPSI/PCSI Florestan MATHURIN Page 3 sur 9 On peut découper les systèmes automatiques suivant 3 catégories : Système asservi Système automatique Système automatique à logique combinatoire Système automatique à logique séquentielle Etudié en 2ème période PCSI/MPSI Etudié en 1ère période PCSI/MPSI Etudié en 2ème période PCSI/MPSI Un signal logique (ou une combinaison de signaux logiques) conduit toujours à un unique état de la sortie du système. Dans ces systèmes, l'information logique est traitée de manière instantanée. Exemple : Digicodes Les signaux traités sont analogiques ou numériques et leurs valeurs ne peuvent pas être prédéterminées. Une mesure du signal de sortie est en permanence réalisée (par un capteur) et la valeur est comparée à l'entrée, puis corrigée. La distinction entre système asservi numérique ou analogique est fonction du type de partie commande utilisée. La sortie du système est élaborée à partir d'un ensemble de signaux logiques d'entrée mais elle prend également en compte la chronologie des évènements logiques. Exemple : Trieur de boites Dans ce cours, on ne traite que des systèmes asservis. 4. Le système asservi Un système simple peut être tout à fait satisfaisant du point de vue de son comportement s'il n'est pas perturbé. On parle dans ces conditions d'un système en boucle ouverte ou d’un système commandé. Ce n’est pas un système asservi. Exemple : Schéma fonctionnel d’un système commandé de chauffage Température désirée Radiateur Pièce à chauffer Température de la pièce Cependant, lorsqu’un système commandé est perturbé par un événement extérieur (perturbation), la valeur de la sortie ne correspond pas à la valeur attendue et peut même être très éloignée de la valeur attendue. Exemple : Schéma fonctionnel d’un système commandé de chauffage avec perturbation Température désirée Radiateur Pièce à chauffer Température de la pièce Ouverture d’une fenêtre Cours 03 - Introduction à l’automatique Lycée Bellevue Toulouse – CPGE MPSI/PCSI Florestan MATHURIN Page 4 sur 9 Pour automatiser le système (c'est-à-dire supprimer l'intervention humaine pour ne pas agir en permanence sur les radiateurs dans l'exemple), on introduit une boucle de retour (ou rétroaction). Le système est alors appelé système en boucle fermée ou système asservi. La boucle de retour, constituée d’un capteur, permet d'évaluer la situation à l'instant t sur la partie opérative et fournit un état de la sortie à la partie commande. Cette information est analysée par la partie commande et comparée à la consigne d’entrée. Elle élabore ensuite un signal qui permet de commander la partie opérative. Exemple : Schéma fonctionnel d’un système asservi de régulation de chauffage Température désirée Radiateur Pièce à chauffer Température de la pièce Comparaison des T°C Ouverture d’une fenêtre Thermocouple Régulateur Action sur le radiateur Partie commande Partie opérative La température désirée (fixée par un thermostat) est comparée à la température de la pièce mesurée par un thermocouple. Si une perturbation intervient (ouverture de la fenêtre), le régulateur déclenche alors une action correctrice dont le sens et l'intensité dépendent de la valeur et du signe de l'écart entre la température souhaitée et la température de la pièce. Les systèmes asservis peuvent être classés en deux grandes familles : Système asservi Système suiveur Système régulateur Les systèmes asservis suiveurs ou en poursuite d'une loi de référence dans lesquels la consigne d'entrée varie en permanence, comme par exemple pour une machine-outil à commande numérique, un missile, un radar de poursuite ... L'objectif de ce système est d'ajuster en permanence le signal de sortie au signal d'entrée. Exemple : Radar de poursuite Les systèmes régulateurs pour lesquels la consigne d'entrée est fixe, comme par exemple pour une régulation de température, de débit... Ils sont destinés à maintenir une sortie constante pour une consigne d'entrée constante. Exemple : Régulateur de débit Cours 03 - Introduction à l’automatique Lycée Bellevue Toulouse – CPGE MPSI/PCSI Florestan MATHURIN Page 5 sur 9 5. Représentation schématique des systèmes asservis Pour représenter un système asservi, on utilise toujours un schéma-bloc fonctionnel qui met en relation les entrées et sorties du système et qui permet de comprendre la structure du système selon un point de vue commande. On distingue quatre types d'éléments graphiques : • La flèche qui représente une grandeur d’entrée ou de sortie ainsi que son orientation Consigne e(t) • Le bloc : le nom du bloc est en général le nom du composant (moteur, réducteur, roue...) ou bien encore l'opérateur mathématique associé à une fonction particulière (exemple : l'opérateur ∫ pour décrire une intégration du type passage d'une vitesse à une position mais qui n'a pas de matérialisation physique). Une entrée secondaire correspond en général à une perturbation. Entrée secondaire Consigne e(t) Sortie s(t) Perturbation Nom du bloc Entrée principale • Le point de sommation (ou sommateur, soustracteur, comparateur) qui réalise des opérations du type addition ou soustraction s(t)=v(t)+w(t)-u(t) v(t) u(t) w(t) + + - u(t) - + + + w(t) v(t) s(t) s(t) • Le point de prélèvement ou de jonction : une variable est réutilisée comme entrée d'un bloc y(t) x(t) w(t) z(t) y(t) Les systèmes industriels sont par nature complexes et la représentation en schéma-bloc fonctionnel permet de décomposer le système en sous-systèmes plus facilement modélisables. Par assemblage des différents modèles, il est ensuite possible de déduire le comportement global du système complexe. Cours 03 uploads/Philosophie/ cours-03 1 .pdf