GPA535 SYSTÈMES ASSERVIS Préalable(s) : MAT165, MAT265 PLAN DE COURS SESSION AUTOMNE 2013

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1 École de technologie supérieure Département de génie de la production automatisée Responsable(s) du cours : Crédits : 4 Rachid Aissaoui, ing., Ph.D. GPA55 SYSTÈMES ASSERVIS Préalable(s) : MAT165, MAT265 PLAN DE COURS SESSION AUTOMNE Coordonnées de l enseignant Groupe 01: Philippe Hamelin, ing. (Philippe.Hamelin2@etsmtl.ca) 2. Descriptif officiel du cours Acquérir les connaissances de base sur la modélisation, l'analyse et la conception de systèmes de commande automatique. Historique du processus d'automatisation industrielle. Composantes d'un système de commande à rétroaction. Systèmes en boucle ouerte ou fermée. Modélisation et mise en équations des systèmes de contrôle. Systèmes de commande de position et de itesse. Schémas fonctionnels. Linéarisation de systèmes non linéaires. Transformée de Laplace. Fonctions de transfert. Systèmes du premier et du deuxième ordre. Analyse dans le domaine temporel. Analyse dans le domaine fréquentiel (diagrammes de Bode et de Nyquist). Éaluation expérimentale de la fonction de transfert d'un système. Stabilité aec la position des pôles et aec les critères de Routh-Hurwitz et de Nyquist. Critères de design. Conception dans le domaine fréquentiel aec différents correcteurs (P, PI, PID, correcteurs par aance et retard de phase). Applications aux seromécanismes électriques, mécaniques, pneumatiques et hydrauliques. Séances de laboratoire et exemples pratiques de systèmes de commande.. Objectifs spécifiques du cours Conceoir des contrôleurs (P, PI, PD ou PID) et des compensateurs nécessaires à maintenir la stabilité des systèmes aec une marge de stabilité acceptable, tout en réalisant des critères de performance. Utilisation de Matlab et Simulink pour résoudre des problèmes et simuler des systèmes de commande. 4. Stratégies pédagogiques utilisées 9 heures de cours ( heures par semaine) 6 heures de laboratoires ( heures par semaine) 6 heures de traail personnel par semaine Session automne 201 GPA55 SYSTÈMES ASSERVIS 1

2 Cours magistral : de nombreuses applications seront étudiées en classe pour permettre aux étudiants de bien assimiler la théorie et les techniques présentées au cours. Laboratoires/traaux dirigés : applications de la théorie étudiée au moyen de simulations sur ordinateur aec Matlab et Simulink aec un montage expérimental. 5. Contenu du cours Date Contenus traités dans le cours Heures Introduction aux systèmes asseris (chapitre 1) Historique; Différencier les systèmes en boucle ouerte de ceux en boucle fermée; Définir les caractéristiques d un système de commande : réponse transitoire, réponse en régime permanent, stabilité; 1 Identifier les différents composants d un système de contrôle et leurs fonctions Utiliser la transformée de Laplace pour l étude des systèmes transitoire et permanent; Utiliser la transformée de Laplace pour résoudre les équations différentielles; Différencier le régime transitoire et le régime permanent; Décomposer en fractions partielles. Présentation des outils de simulation : Matlab, Simulink Modélisation des systèmes physiques (chapitre 2) Déelopper les fonctions de transfert pour un système de commande; Décrire les modèles physiques : Systèmes électriques, mécaniques (en translation, en rotation, engrenages), 2 et thermiques, fluides, et systèmes mixtes; Déelopper le modèle linéaire d un système de contrôle à 6 l aide de ses éléments; Modéliser des systèmes électriques et mécaniques de 1 à plusieurs degrés de liberté. Déelopper le modèle d un moteur à courant continu (CC); Étudier les courbes caractéristiques du moteur C.C. Modéliser un asserissement de itesse pour le moteur C.C. Réponse temporelle des systèmes (chapitre 4) Établir la notion de fonction de transfert, pôles, zéros et réponse; Session automne 201 GPA55 SYSTÈMES ASSERVIS 2

3 Réponse totale, réponse naturelle, réponse forcée; Définir les caractéristiques d un système du 1er ordre : constante de temps, temps de montée et de réponse; 4 Analyser les performances des systèmes du 1er ordre. Analyser les différents types de réponse d un système de 2ième ordre : sur amortie, sous amortie, amortie critique, non amortie; Définir les caractéristiques d un système du 2e ordre : fréquence naturelle, facteur d amortissement, temps de montée, temps de réponse, pourcentage de dépassement; Méthode de simplification des schémas blocs (chapitre 5) Règles de simplification des systèmes asseris; 5 Simplification des schémas-blocs à l aide des règles; Méthode algébrique (Cramer) de simplification des blocs Étude de la stabilité des systèmes de commande (chapitre 6) Déterminer la stabilité aec le critère mathématique : la 6 position des pôles de la fonction de transfert du système de commande. Éaluer la stabilité absolue aec le critère algébrique de Routh-Hurwitz; Conception d un contrôleur à l aide du critère de Routh- Hurwitz; 7 Examen partiel Erreurs statiques des systèmes (chapitre 7) Définir les différentes erreurs statiques; 8 Notions des constantes d erreur et de type du système; Conception à l aide des constantes d erreur; Les erreurs dues aux perturbations. Analyse en fréquence (réponse sinusoïdale) (chapitre 10) Définir la réponse en fréquence d un système de commande 9 Représentation géométrique de la réponse en fréquence par les diagrammes de : Bode, Nyquist, Black et Nichols Tracer les lieux de Bode d une fonction de transfert en boucle ouerte Déterminer les marges de gain et de phase aec un lieu de Bode (stabilité relatie). 10 et 11 Analyse en fréquence (stabilité relatie) (chapitre 10) Éaluer la fonction de transfert d un système à partir de la réponse en fréquence expérimentale Déterminer les marges de gain et de phase aec un lieu de Bode (stabilité relatie) 6 Session automne 201 GPA55 SYSTÈMES ASSERVIS

4 12 1 Design des systèmes de commande Les compensateurs (chapitre 11) Modifier les performances d un système en ajoutant une compensation en correction par aance et retard de phase Conceoir des correcteurs de phase par aance de phase Conceoir des correcteurs de phase par retard de phase Design des systèmes de commande Les contrôleurs de type P, Pl, PID, méthode d ajustement de Ziegler-Nichols Décrire le fonctionnement théorique et pratique des contrôleurs Introduction de la méthode Ziegler-Nichols Design de PID par optimisation Total 9 6. Laboratoires ou traaux pratiques Information ariable / enseignant Il est à noter que le total des heures de laboratoires ou traaux pratiques doit totaliser 24 heures ( cr.) ou 6 heures (4 cr.) Date Description Heures 1 Labo Initiation à MATLAB / SIMULINK TD Séance de traaux dirigés (TD) : Transformées de Laplace et 2 transformée inerse. Problèmes du manuel de référence au chapitre 2 : 1, 2,, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 1, 14 et 15. TD Modélisation et mise en équation des systèmes, Chap 2, Problèmes du manuel de référence au chapitre 2 : 16, 20, 21, 2, 24, 25, 29, 0, 40,41 4 TD Problèmes systèmes du 1 er ordre Problèmes du manuel de référence au chapitre 4 : 1, 2,, 4, 5, 6, 7, 29 a 5 Labo Laboratoire n o 1 : Systèmes du 1 er ordre 6 TD Problèmes systèmes du 2 e ordre Problèmes du manuel de référence au chapitre 4 : 8, 12, 1,14, 18, 19, 20, 2, 25, 28, 29 et 0. 7 Labo Laboratoire n o 2 : Simulation un seromécanisme de positionnement TD Séance de traaux dirigés (TD) : Problèmes de modélisation 8 du moteur à C.C. et simplification de schémas-blocs. Problèmes du manuel de référence au chapitre 2 : 42 et 4; Problèmes du manuel de référence au chapitre 5 : 1, 2, 4, 7, 11, 12, 1, 14, 15, 16, 17 et Labo Laboratoire n o : Simulation d un asserissement aec et sans charge aec retour tachymétrique pour le contrôle de la itesse. Session automne 201 GPA55 SYSTÈMES ASSERVIS 4

5 TD Séance de traaux dirigés (TD) : Stabilité et design de 10 paramètre de stabilité (Simulink et Routh-Hurwitz); et analyse de l erreur en régime permanent. Problèmes du manuel de référence au chapitre 6 : 1,, 5, 9, 12, 17, et 4; Problèmes du manuel de référence au chap. 7 : 1, 10, 1, 22, 0, 2, 5, 45. TD Séance de traaux dirigés (TD) : Problèmes d analyse 11 harmonique et sur les compensateurs. Problèmes du manuel de référence au chapitre 10 : 1, 4, 11, 24 et 25; Problèmes du manuel de référence au chapitre 11 : 1, 2, et Labo Laboratoire n o 4 : Identification d un procédé et design de contrôleurs à action proportionnel, dériée et intégrale. 1 TD Séance de traaux dirigés (TD) : Problèmes sur les contrôleurs PID. Problèmes du manuel de référence au chapitre 11 : 5, 6 et 8. Aec le même système que celui de l'exercice 21 (du manuel de référence, chapitre 11), trouez un PID aec la méthode 2 de Ziegler Nichols. Total 6 7. Utilisation d outils d ingénierie Logiciel MATLAB et/ou otre calculatrice TI 8. Éaluation Actiité Description % Examen portant sur la théorie ue dans les chapitres Examen 1, 2, 4, 5 et 6 du cours et sur la pratique ue en intra laboratoire/td 0 Quiz Deux quiz, les dates sont à déterminer 10 Examen final Examen portant sur les chapitres 7 à 11 du cours et sur la pratique ue en laboratoire/td 5 Laboratoires Quatre laboratoires 25 LA PRÉSENCE AUX LABORATOIRES EST OBLIGATOIRE Retard de remise d un traail Utilisation d appareils électroniques 9. Documentation obligatoire NISE, N.S., (2011). Control Systems Engineering, 6 e éd., John Wiley and Sons. Session automne 201 GPA55 SYSTÈMES ASSERVIS 5

6 10. Ourages de référence Information ariable / enseignant Site WEB : BÉLANGER, P.R. (1994). Control Engineering, a Modern Approach, Oxford Uniersity Press. SEBORG, D.E., T.F. EDGAR et D.A. MELLICHAMP (1989). Process Dynamic and Control, Wiley. OGUNNAIKE, B.A. et W.H. RAY (1994). Process Dynamics, Modeling and Control, Oxford Uniersity Press. BEQUETTE, B.W. (1998). Process Dynamics, Modeling, Analysis and Simulation, Prentice-Hall. THOMAS, P. (1999). Simulation of Industrial Processes for Control Engineers, Butterworth Heinemann. CODRON, P. et S. LE BALLOIS (1998). Automatique, systèmes linéaires et continus, Dunod. OGATA et KATSUHIKO (1997). Modern Control Engineering, Prentice-Hall, e éd. KUO, B.C. (1995). Automatic Control System, Prentice-Hall, 7 e éd. DORF, R.C. et R.M. BISHOP (1995). Modern Control Systems, 7 e éd., Addison-Wesley. SAADAT, H. (199). Computational Aids in Control Systems Using Matlab, Mc-Graw- Hill. RAVEN, F.H. (1987). Automatic Control Engineering, McGraw-Hill. Session automne 201 GPA55 SYSTÈMES ASSERVIS 6

7 GPA55 SYSTÈMES ASSERVIS ANNEXE I 1. Caractéristiques du cours Responsable(s) du cours : Rachid Aissaoui, ing., Ph.D. Coordonnées de l enseignant : Groupe 01: Philippe Hamelin, ing. (Philippe.Hamelin2@etsmtl.ca) Préalables : MAT165, MAT265 Crédits : 4 2. Descriptif officiel du cours Acquérir les connaissances de base sur la modélisation, l'analyse et la conception de systèmes de commande automatique. Historique du processus d'automatisation industrielle. Composantes d'un système de commande à rétroaction. Systèmes en boucle ouerte ou fermée. Modélisation et mise en équations des systèmes de contrôle. Systèmes de commande de position et de itesse. Schémas fonctionnels. Linéarisation de systèmes non linéaires. Transformée de Laplace. Fonctions de transfert. Systèmes du premier et du deuxième ordre. Analyse dans le domaine temporel. Analyse dans le domaine fréquentiel (diagrammes de Bode et de Nyquist). Éaluation expérimentale de la fonction de transfert d'un système. Stabilité aec la position des pôles et aec les critères de Routh-Hurwitz et de Nyquist. Critères de design. Conception dans le domaine fréquentiel aec différents correcteurs (P, PI, PID, correcteurs par aance et retard de phase). Applications aux seromécanismes électriques, mécaniques, pneumatiques et hydrauliques. Séances de laboratoire et exemples pratiques de systèmes de commande.. Répartition des unités d agrément du BCAPG Maths Sciences naturelles Études complémentaires Science du génie Conception en ingénierie Total 0,0 0,0 0,0 2,4 2,4 64,8 Session automne 201 GPA55 SYSTÈMES ASSERVIS 7

8 4. Qualités (Qx) et compétences (Cy) enseignées et ou Q1 : Connaissance, à un nieau uniersitaire, des mathématiques, des sciences naturelles et des notions fondamentales de l ingénierie, ainsi qu une spécialisation en génie propre au programme. Q1 -C Appliquer les concepts fondamentaux de l'ingénierie, dont ceux propres à sa discipline du génie Q2 : Capacité d utiliser les connaissances et les principes appropriés pour identifier, formuler, analyser et résoudre des problèmes d ingénierie complexes et en arrier à des conclusions étayées. Q2 -C1 Identifier et formuler le problème en établissant le contexte, les paramètres et les contraintes des problèmes, incluant les problèmes mal définis Q2 -C2 Choisir un modèle ou une méthode pour analyser ou résoudre un problème, incluant les notions, les concepts ou les relations physiques pour identifier des pistes de solution Q2 -C Appliquer le modèle ou la méthode en ue d analyser ou résoudre le problème Q2 -C4 Interpréter le résultat obtenu des modèles utilisés dans la représentation des problèmes en ue de formuler des conclusions étayées Enseigné Enseigné Ealué Ealué Q4 : Capacité de conceoir des solutions à des problèmes d ingénierie Enseigné Ealué complexes et éolutifs et de conceoir des systèmes, des composants ou des processus qui répondent aux besoins spécifiés, tout en tenant compte des risques pour la santé et la sécurité publiques, des aspects législatifs et règlementaires, ainsi que des incidences économiques, enironnementales, culturelles et sociales. Q4 -C1 Formuler le problème en tenant compte des besoins et des contraintes telles que les risques pour la santé et la sécurité publiques, les aspects législatifs et règlementaires, ainsi que des incidences économiques, enironnementales, culturelles et sociales. Q4 -C2 Déelopper des concepts en se basant sur les principes de l ingénierie afin d élaborer des solutions. Q4 -C Analyser les risques technologique et économique en fonction des parties prenantes (clients, partenaires, etc.), de la société, et de l enironnement; Q4 -C4 Intégrer les concepts retenus répondant aux besoins et respectant les contraintes identifiées préalablement. Q5 : Capacité de créer et de sélectionner des techniques, des ressources et Enseigné Ealué des outils d ingénierie modernes et de les appliquer, de les adapter et de les étendre à un éentail d actiités simples ou complexes, tout en comprenant les contraintes connexes. Q5 -C1 Éaluer différents outils et techniques, en faire un choix et justifier ce choix Q5 -C2 Appliquer les outils et techniques dans des projets d ingénierie Session automne 201 GPA55 SYSTÈMES ASSERVIS 8

9 5. Éaluation Actiité Description % Examen portant sur la théorie ue dans les chapitres Examen 1, 2, 4, 5 et 6 du cours et sur la pratique ue en intra laboratoire/td 0 Quiz Deux quiz, les dates sont à déterminer 10 Examen final Examen portant sur les chapitres 7 à 11 du cours et sur la pratique ue en laboratoire/td 5 Laboratoires Quatre laboratoires 25 LA PRÉSENCE AUX LABORATOIRES EST OBLIGATOIRE Absence à un examen Dans les cinq (5) jours ourables suiant la tenue de son examen, l étudiant dera justifier son absence auprès de la coordonnatrice Affaires départementales qui en référera au directeur du département. Pour un examen final, l étudiant dera justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d un parent immédiat ou autre) à un examen entraînera l attribution de la note zéro (0). Plagiat et fraude Les clauses du «Chapitre 10 : Plagiat et fraude» du «Règlement des études de 1 er cycle» s appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Afin de se sensibiliser au respect de la propriété intellectuelle, tous les étudiants doient consulter la page Citer, pas plagier! Session automne 201 GPA55 SYSTÈMES ASSERVIS 9