Chapitre 1. Notions d asservissement & de régulation

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Raymonde Lambert
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1 Chapitre 1 Notions d asservissement & de régulation 1.1 Définitions : Automatique : Qui fonctionne tout seul ou sans intervention humaine. Il existe deux domaines d'intervention de l'automatique : Dans les systèmes à évènements discrets. On parle d'automatisme (Séquences d'actions dans le temps). Exemples d'applications : les distributeurs automatiques, les ascenseurs, le montage automatique dans le milieu industriel, les feux de croisement, les passages à niveaux. Dans les systèmes continus pour asservir et/ou commander des grandeurs physiques de façon précise et sans aide extérieure. Exemples d'application : l'angle d'une fusée, la vitesse de rotation d'un lecteur CD, la position du bras d un robot, le pilotage automatique d'un avion. (Dans ce cours, nous ne nous intéresserons qu'à l'automatique des systèmes continus) Notion de système : L'automatique peut s'appliquer à tout ce qui bouge, fonctionne, se transforme. L'objet d'application de l'automatique est appelé «système». Un système peut être défini comme un ensemble d'éléments exerçant collectivement une fonction déterminée, il communique avec l'extérieur par l'intermédiaire de grandeurs, fonctions du temps, appelées «signaux». Un système peut être représenté schématiquement de la manière suivante: e 1 (t) s 1 (t) e(t) e n (t) SYSTEME s p (t) s(t) H. Kesraoui 1

2 Où e(t) est un ou plusieurs signaux d'entrée (excitation, cause ou sollicitation) et s(t) est un ou plusieurs signaux de sortie (ou réponses), t étant la variable temps. En général, ces signaux (d'entrée et de sortie) ne sont pas de même nature. Les grandeurs d'entrée sont les grandeurs qui agissent sur le système. Il en existe deux types : - Commandes : Celles que l'on peut maîtriser. - Perturbations : Celles que l'on ne peut pas maîtriser Système linéaire : Un système est dit linéaire si la réponse de ce système à une combinaison linéaire des signaux d'entrée est égale à la combinaison linéaire des signaux de sortie: e 1 (t) s 1 (t) e 2 (t) s 2 (t) SYSTEME (S) SYSTEME (S) e(t) =.e 1 (t) +.e 2 (t) SYSTEME (S) s(t) =.s 1 (t) +.s 2 (t) Cette propriété est appelée aussi principe de superposition: Ce principe simplifie beaucoup les problèmes, c'est pour cela que dans la plupart des cas on essaie de se ramener à l'étude d'un système linéaire. Un système possédant une seule entrée est dit monovariable ou univariable, si de plus il possède une seule sortie, il est dit scalaire Boucle ouverte/ Boucle fermée : Un système est en boucle ouverte (BO) lorsque la commande est élaborée sans l'aide de la connaissance des grandeurs de sortie : il n'y a pas de feedback. Dans le cas contraire, le système est dit en boucle fermée (BF). La commande est alors fonction de la consigne (la valeur souhaitée en sortie) et de la sortie. H. Kesraoui 2

3 Pour observer les grandeurs de sortie, on utilise des capteurs. C'est l'information de ces capteurs qui va permettre d'élaborer la commande. Entrée Système Sortie Système en Boucle Ouverte (Entrée = Commande) Entrée Elaboration de la commande Commande Système Sortie Système en Boucle Fermée (Entrée = Consigne) Ce qui permet de donner cette autre définition de l'automatique : C'est une science et une technique qui permet de maîtriser le comportement d'un système (traduit par ses grandeurs de sortie), en agissant de manière adéquate sur ses grandeurs d'entrée. Principe : Faire une contre-réaction ou un "feedback" : Réagir en fonction de ce qui est réalisé, connaissant ce qui est demandé. H. Kesraoui 3

4 1.2 Exemples : Nous utilisons le principe précédent tous les jours dans la plupart de nos actions : Conduite d un véhicule : Le conducteur d un véhicule doit suivre la route, pour cela: Il observe la route et son environnement et évalue la distance qui sépare son véhicule du bord de la route. Il détermine en fonction du contexte l'angle qu'il doit donner au volant pour suivre la route. Il agit sur le volant; puis de nouveau il recommence son observation pendant toute la durée du déplacement. Si un coup de vent dévie le véhicule, après avoir observé et mesuré l'écart il agit pour s'opposer à cette perturbation Réglage de l eau tiède : Considérons une douche dont le réglage est assuré par un mitigeur à commande manuelle et regardons l évolution de la température de l eau. Si le réglage de la température est placé à l extérieur, comme dans les douches communes d installations sportives, la personne assurant le réglage n a pas d information directe sur la température réelle de l eau, il s agit d une commande en boucle ouverte. Dans ce cas, l expérience montre qu il peut y avoir une différence importante entre la température souhaitée et la température réelle. Si le réglage est effectué par une personne plaçant la main dans le jet de la douche, cette personne a une information directe sur la température de l eau de sortie et peut agir directement sur la commande en fonction de l écart par rapport à la consigne ou erreur Chauffage d'une salle : Considérons le chauffage électrique d'une salle. Le système est constitué par l'ensemble chauffage + salle. La sortie de ce système est la température de la pièce. La commande du système est la position 0 ou 1 de l'interrupteur. H. Kesraoui 4

5 Les perturbations peuvent être l'ouverture d'une fenêtre, de la porte ou les rayons du soleil. En boucle ouverte, la commande est insensible à la sortie. Pour créer un feedback ou contre-réaction, on peut utiliser un thermostat. La commande est alors élaborée en fonction de la consigne (température souhaitée) et de la sortie (température de la pièce). 1.3 Nécessité de la boucle fermée : Exceptionnellement, le système de commande peut opérer en boucle ouverte à partir du seul signal de consigne. Mais la boucle fermée (contre réaction) est capable de : - Stabiliser un système instable en BO. - Compenser les perturbations externes. - Compenser les incertitudes internes au processus lui-même. Un système de commande peut réaliser deux fonctions distinctes : - L'asservissement c'est à dire la poursuite par la sortie d'une consigne variable dans le temps. - La régulation c'est à dire la compensation de l'effet de perturbations variables sur la sortie (la consigne restant fixe). 1.4 Systèmes asservis (ou asservissement) : Un système asservi est donc un système bouclé, c'est-à-dire possédant une contre réaction (ou rétroaction) de la sortie sur l'entrée. Il copie le comportement de l'homme dans les trois phases essentielles de son travail: Action/Observation/Réflexion Il est caractérisé par la présence d une chaine directe comprenant des éléments amplificateurs et éventuellement, des convertisseurs de puissance, en liaison avec les sources d énergie et une chaine de retour constituée d éléments de précision généralement passifs. Ce n est pas une chaine de puissance; elle transmet à l entrée H. Kesraoui 5

6 l information sur la grandeur de sortie. Cette information est comparée au signal d entrée au moyen du comparateur. Ce dernier élabore la différence ou écart entre le signal d entrée et l information image du signal de sortie. Tache à réaliser Comparaison Réflexion Action Effet de l'action Observation Rétroaction Principe du «feedback» Perturbation Entrée Erreur Commande Sortie Correcteur Système Capteur Rétroaction Schéma d un asservissement avec boucle de retour H. Kesraoui 6

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