Caractérisation des grandeurs de la chaîne d énergie du pilote automatique

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1 Caractérisation des grandeurs de la chaîne d énergie du pilote automatique TP 2 heures Noms : Prénoms : Classe : Date : Objectifs A l issu de ce TP, les compétences acquises doivent vous permettre plus particulièrement de : - Identifier et caractériser une chaine d énergie, - Justifier le choix et la grandeur physique à mesurer, - Justifier les caractéristiques d un appareil de mesure, - Vérifier la cohérence du modèle choisi avec des résultats d expérimentation. Nous nous intéresserons plus particulièrement à l écart entre le système réel et le système simulé. Présentation Coque du Voilier Barre La société SIMRAD est une société leader dans le domaine des équipements nautiques. Elle commercialise notamment les pilotes automatiques TP30 et TP32, qui permettent de mettre en mouvement la barre du bateau pour lui faire suivre le cap choisi par le skipper. Pilote automatique Problématique Vous êtes ingénieur de développement auprès de la société SIMRAD qui désire innover et souhaite renouveler son offre de pilote automatique. On vous demande de réaliser la modélisation numérique de l un des pilotes de la gamme et de valider ce modèle grâce à des mesures que vous allez faire sur le système réel. Si les écarts entre le modèle et le réel sont faibles alors ce modèle pourra servir de base à la conception de nouveaux modèles. Page 1/6

2 Présentation du système Nous allons nous intéresser à la manière dont est commandé le moteur pour corriger un écart de cap. Les agents externes tels que le vent et la houle (éléments perturbateurs) font que le pilote automatique doit corriger en permanence le cap suivi par le voilier pour le faire correspondre au cap programmé par le skipper. Barre Coque du Voilier Le système de traitement de l information Pilote doit en permanence analyser l écart entre automatique le cap réel et le cap voulu, et donner les ordres à la chaine d énergie pour agir sur la barre. Chaine fonctionnelle : Mise en mouvement du tapis Le contrôle de la barre est assuré par un système mécanique associé à un actionneur électrique. La société a retenu pour cela un moteur à courant continu (RS-755 SH MITSUBISHI). Vis Coulisseau La barre du voilier pouvant être poussée ou tirée, il faut que l axe du pilote puisse également fonctionner dans les deux sens. Il est donc indispensable que le moteur puisse tourner, à la demande du microcontrôleur (traitement de l information), dans un sens ou dans l autre. Corps Détection vitesse de rotation/sens Structure fonctionnelle du pilote automatique. Chaîne d information Signalisation sonore ACQUERIR TRAITER COMMUNIQUER Consigne de cap Compas, Lock Girouette Capteur à effet Hall Module de gestion Commande en MLI Barre en position initiale Signal de commande Tige en position initiale ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE Dispositif de recharge Batterie d accumulateur Relais statique Moteur Réducteur, vis-écrou. Mettre en mouvement Chaîne d énergie Tige en position finale Barre en position finale Page 2/6

3 Groupe A : Caractérisation de la fonction convertir Pour simplifier l'étude on omettra volontairement la fonction «distribuer», c'est à dire que l'on considérera que le système est alimenté directement par une source d'alimentation continue réglable de laboratoire. Vous disposez : - Du pilote automatique, - D une maquette équipée du moteur à courant continu, du système poulie courroie et des capteurs à effet hall, - Du document «ressources_pilote.pdf», - Du dossier technique, - D appareils de mesure comme l ampèremètre, voltmètre, sonde de courant, tachymètre, oscilloscope ou chronomètre. On cherche à caractériser le comportement intrinsèque (coupé du monde extérieur...) du moteur alimenté par une alimentation stabilisée fournissant une tension réglable 0-16V. Pour ceci on tracera la courbe de : - La vitesse du moteur (ωmoteur) en fonction de la Fcem E. Ne pas dépasser 12V Qa1. Élaborer un protocole d'expérimentation vous permettant de réaliser ce travail en toute sécurité. Le faire valider par votre professeur avant toute mise en œuvre. La résistance de l induit du moteur est de 0.8Ω. Qa2. Réaliser vos mesures et mettez-les sous la forme d un tableau. U moteur (V) I moteur (A) ω tige N moteur (tr/s) ω moteur (rd/s) E (V) Qa3. Tracer cette courbe puis donner un modèle mathématique (approché) de la vitesse de rotation du moteur en fonction de la tension d alimentation, puis en fonction de la fcem E. Qa4. Comparer ce modèle approché avec les mesures effectuées. Qa5. En déduire la valeur de k e en V/rd/s (E=K e.ω). Page 3/6

4 Groupe B : Caractérisation du couple moteur Le pilote doit vérifier les données suivantes du cahier des charges : FP1 : Manœuvrer automatiquement la barre par rapport à la coque du bateau. Fonctions de Critères d appréciation service FP1 Poussée sur la barre Course Temps pour effectuer la course à vide Temps pour effectuer la course à 10 kg Temps pour effectuer la course à 20 kg Temps pour effectuer la course à 30 kg Temps pour effectuer la course à 40 kg Temps pour effectuer la course à 50 kg Niveaux d appréciation Jusqu à 850 N 200 mm Au plus 3,9 s Au plus 4,2 s Au plus 4,7 s Au plus 5 s Au plus 5,8 s Au plus 6,9 s Vous disposez : - Du pilote automatique, - Du document «ressources_pilote.pdf», - Du dossier technique, - D appareils de mesures comme l ampèremètre, voltmètre, sonde de courant, tachymètre, oscilloscope ou chronomètre. On cherche à caractériser le comportement du moteur en fonctionnement, en charge. Pour ceci on tracera la courbe du couple C moteur en fonction du courant circulant dans l induit I moteur, On validera que la fonction de service FP1 est bien respectée. Qb1. Élaborer un protocole d'expérimentation vous permettant de réaliser ce travail en toute sécurité. Le faire valider par votre professeur avant toute mise en œuvre. Qb2. Réaliser vos mesures et mettez-les sous la forme d un tableau. Poids de la charge (en Kg) Temps de levé pour une course de 200mm (en s) I moteur (en A) Vitesse de rotation du moteur Qb3. Sachant que U moteur = 13.9V, R induit = 0.8Ω et k = 0.019, vérifier par calcul ces résultats. Page 4/6

5 Groupe C : Caractérisation de la fonction transmettre On cherche à caractériser un modèle définissant la vitesse du coulisseau en fonction de la fréquence de rotation du moteur V coulisseau = f(ω moteur ). En multipliant par le temps, cette relation devient celle qui lie la distance parcourue par le coulisseau au nombre de tours effectués par l'arbre moteur d coulisseau = f(nombre de tours ). Données : on rappelle les relations : s = R. Θ avec s la section de l'arc (m), r rayon (m), Θ angle (rad) v = R. Ω avec v vitesse linéaire (m/s), r rayon (m), Ω vitesse angulaire (rad/s) Note : On exprime les grandeurs en unité SI lorsque celles-ci ne sont pas spécifiées. Ω mot (rd/s) Ω vis (rd/s) V coulisseau (m/s) Position coulisseau (m) Moteur Système Système Convertisseur poulies courroie Vis écrou en m Qc1. Donner un protocole permettant de déterminer le plus précisément possible les différentes relations entre les différents constituants énumérés ci-dessus. Qc2. Exprimer la relation liant la vitesse angulaire de l'arbre moteur Ω mot à la vitesse angulaire de la vis Ω vis. Compléter la case colorée correspondante par la formule, puis faire l application numérique. Qc3. Exprimer la relation liant la vitesse linéaire du coulisseau V coulisseau à la vitesse angulaire de la vis entraînant le tapis Ω vis. Compléter la case colorée correspondante, puis faire l application numérique. Qc4. Exprimer la relation liant la vitesse linéaire du coulisseau V coulisseau avec la position du coulisseau d coulisseau. Compléter la case colorée correspondante par la formule, puis faire l application numérique. Qc5. En déduire la relation globale donnant la position du coulisseau d coulisseau en fonction de la vitesse angulaire Ω mot du moteur. Exprimer également V coulisseau en fonction de la vitesse angulaire du moteur Ω mot. Page 5/6

6 Pour l ensemble de l équipe : Paramétrage et validation du modèle On vous fournit un modèle Matlab-Simulink (non paramétré) du système traduisant le dispositif expérimental. A partir des activités précédentes, vous devez paramétrer votre modèle numérique et le simuler pour différentes masses. Vous allez ensuite comparer ce modèle avec le système réel et le valider. Dans Matlab, ouvrir le dossier Modèle_pilote et double-cliquer sur le fichier «PILOTE_SIMMECHANICS_elv.mdl». Sélectionner le dossier, dans le répertoire contenant les fichiers pour la simulation. Double-cliquer sur le fichier Simulink, «PILOTE_SIMMECHANICS_elv.mdl», reconnaissable à son extension «.mdl». Qc2. A partir des paramètres identifiés dans les parties précédentes, paramétrer le modèle. Pour ceci, double cliquer sur les icones «Moteur CC Pilote auto» et «PO_PILOTE». Compléter les données manquantes (Pour le rapport de transmission, modifier R). Il faut saisir le rapport de transmission (1/R) du système poulies courroie Pour modifier le poids, il suffit de double cliquer sur l icône masse modifier la constant value. Lancer alors la simulation en cliquant sur «play» dans le menu :, et de Qc3. Pour les 6 poids de la fonction de service FP1, lancer votre simulation. Relever dans un tableau les valeurs du courant moteur I mot, du couple moteur C mot, la vitesse de rotation du moteur N mot et le temps pour réaliser les 200mm. Comparer ces relations avec celles trouvées dans les parties précédentes. Poids courant moteur I mot couple moteur C mot vitesse de rotation du moteur N mot Temps Qc4. Conclure sur la validité du modèle. Justifier les éventuels écarts. Page 6/6