PSI * 24/01/14 Lycée P.Corneille Réponse à un échelon de cap.doc Page : 1 Travaux Pratiques CARACTERISATION DE LA REPONSE DU PILOTE A UN ECHELON DE CAP Temps alloué 2 heures Vous disposez: du pilote TP5000 monté sur son banc d essai et branché sur une alimentation stabilisée de 12V de masses marquées de la Partie Opérative du pilote TP 5000 de la notice du pilote d un ordinateur et du logiciel ASSER sous Windows 95!! (voir notice à la fin) Position du problème technique. Le Pilote automatique est un appareil dont le but est de maintenir automatiquement le cap suivi par un bateau, et ce quel que soit l'état de la mer et du vent. Dans ce but il agit sur la position du gouvernail, dès qu'il détecte un écart entre le cap suivi et le cap à suivre. En fonction de l'état des éléments naturels (vent et mer), ainsi qu'en fonction de la vitesse relative du bateau par rapport à l'eau qui le porte, les efforts nécessaires au pilote pour agir sur le gouvernail sont variables. Pour une même perte de cap, le pilote provoque un déplacement de sa tige identique. Mais suivant la résistance de la mer sur le gouvernail, il aura plus ou moins de mal à réaliser cette sortie ou entrée de tige. Les efforts à développer seront plus ou moins grands. Le fabricant du pilote a mis en œuvre les moyens nécessaires pour optimiser la réponse du pilote à une perte de cap, en essayant de déplacer la barre dans le temps minimal, indépendamment des efforts en jeu. L'objectif de ce travail est : 1 - de mettre en évidence la boucle de rétroaction du système asservi grâce à un schéma bloc. 2 - d évaluer l influence sur la réponse du pilote - des efforts résistants sur la barre - du réglage du gain 3 - d évaluer l erreur de mesure de cap due au mouvement du corps du pilote
Page 2 Travail demandé. 1 - Mise en évidence de la rétroaction. Un pilote automatique de voilier n'est pas en lui-même un système asservi. C'est l'ensemble constitué du bateau, du pilote fixé au bateau et commandant les mouvements de la barre qui forme un système asservi. Le cap, qui constitue la consigne est détecté par un compas électronique (compas fluxgate), qui mesure l'angle qui existe entre le bateau et le champ magnétique terrestre. L'acquisition et le traitement des informations par le pilote est réalisé par un microcontrôleur (microprocesseur associé à de la mémoire et des interfaces sur la même puce de silicium). Suivant l erreur de cap détectée, une consigne de déplacement tige est envoyée à la partie opérative. Un capteur numérique de position à effet Hall (type codeur incrémental) renvoie l information de position de la tige. Ce capteur de position est précis au demi-tour de vis. On a donc deux asservissements imbriqués (régulation en cascade) : dans la boucle de régulation de CAP, on a un asservissement en position de la tige du vérin. Consigne de cap Consigne de translation tige Correcteur 1 Correcteur 2 cap Parcourir la notice du pilote puis allumez l alimentation de 12V. Vérifier que le gain du pilote est réglé à sa valeur moyenne soit 5 (voir page 17 de la notice). Remarque : pour imposer une erreur de cap constante, il suffit de tourner l ensemble du banc d essai en mode Auto. 1. En mode MANUEL, observez le comportement du pilote à un changement de cap En agissant sur les deux flèches que constatez-vous? 2. Mettez le pilote en mode AUTO (touche centrale) et observez le mouvement de la tige lors d un changement de cap. En déduire la configuration de montage du pilote : pilote monté à gauche ou à droite? 3. Imposez en mode AUTO une perte de cap constante et observez les mouvements de la tige sur un temps suffisamment long. Que constatez-vous? Quel est l intérêt d un tel comportement?
Page 3 Attention à ne pas atteindre la fin de course (une alarme se déclenche et il faut se mettre en mode manuel pour l arrêter) La consigne de déplacement de la tige est-elle uniquement proportionnelle à l erreur de cap? Proposer une loi réaliste pour la correction : Consigne translation Tige = f(erreur Cap) A quel type de correction se rapprocherais l asservissement en cap du pilote : P ; PI ; PD ; PID? 4. Construire un schéma bloc détaillé de l asservissement en incluant les constituants suivants: Bateau; Barre; Comparateur(s); Moteur; Réducteur, Système vis-écrou; Compas; Capteur de rotation vis. On précisera également la ou les perturbations ainsi que les variables d entrée et de sortie de chaque bloc. 2 - Etude de la réponse du pilote pour différentes configurations. Réglage du gain du pilote :Après avoir lu la notice du pilote page 17, procédez au réglage du gain du pilote à 5. Réglage du champ : régler le potentiomètre en façade de manière à ce que la perturbation de champ magnétique H, donne un déplacement tige d environ 20mm. 2.1) Influence de la masse Faire une mesure à vide. Quelle manipulation faut-il ajouter à la procédure d acquisition donnée en annexe pour que les mesures ne soient pas entachées d erreurs à cause du jeu dans la liaison tige règle? Déterminez pour les cas de charge 0 et 5kg le temps de réponse à 5% ainsi que l amplitude du déplacement de la tige. Conclure sur l influence de la masse. Pour les manipulations qui suivent, on placera une charge de 5kg. 2.2) Influence du gain. Déterminez pour un gain de 1 et 10 le temps de réponse à 5% ainsi que l amplitude du déplacement de la tige. Conclure sur l intérêt de ce réglage.
Page 4 3 Erreur maximale de mesure du cap. En mesurant les grandeurs utiles sur le pilote TP5000 et à partir des données de montage (page 5 de la notice), évaluer graphiquement l erreur de cap maximale commise sur la mesure du cap du bateau. Capteur de cap Fluxgate Exemple de montage d un pilote automatique entre bateau et barre franche
Page 5 ANNEXE : déroulement d une mesure avec le logiciel ASSER Démarrer le logiciel ASSER. Si votre logiciel est convenablement configuré vous devez pouvoir lire dans la barre d'information placée en bas de l'écran l'ensemble des paramètres retenus, sinon reportez-vous au menu de la fenêtre. Avant toute mesure, vérifiez que les conditions d expérimentation sont réunies (masse en position, gain réglé, champ magnétique de la bobine réglé...) Pour lancer la mesure des n points que vous avez demandés il suffit de cliquer avec votre souris sur le bouton marqué Acq (pour Acquisition). Le logiciel initialise votre règle à zéro. Placez alors le pilote en mode AUTO. Répondez ensuite OK à la boite de dialogue qui vous demande si vous êtes prêt pour la mesure. Le logiciel envoie du courant dans une bobine placée à proximité du compas pour simuler une perte de cap. La tige du pilote doit rentrer. Prenez alors patience, le logiciel communique avec la règle. Lorsque vos n points lui ont été transmis par la liaison série il affiche alors le résultat L (en mm) et t (en ms) sous forme d'un tableau. Dès que le pilote est revenu à sa position initiale, repassez en mode manuel en appuyant sur `Set Auto'. Puis vérifiez que votre cadran d'indication de la masse porte bien la valeur correspondant aux masses réellement levées par le pilote, soit par exemple 0,00 Kg pour la première mesure. Cette valeur est sauvée avec vos mesures. Sauvez ce résultat sur votre disque dur en cliquant sur le second bouton. Choisissez alors un répertoire et un nom de fichier (vos initiales suivies de la masse soulevée par exemple : XX_00_0.ACQ).