Laboratoire de Sciences Industrielles de l Ingénieur S2 - Chaîne d'énergie S22 - Distribuer et moduler l'énergie S221 Moduler l'énergie (convertisseurs statiques d'énergie) S4 - Comportements des systèmes S412 - actions mécaniques TRAVAUX PRATIQUES PILOTE AUTOMATIQUE (à commande hydraulique) Vous travaillerez par équipe. L'équipe est constituée - d'expérimentateurs qui seront chargés de réaliser les expérimentations et qui traiteront uniquement les questions précédées de : (E) - de modélisateurs qui s'occuperont de la construction du modèle de connaissance et qui traiteront les questions précédées de la lettre (M) - d'un chef d'équipe (CE) qui s'occupera de la coordination des activités et qui collectera les résultats et rédigera le compte rendu de ce travail. 1. MISE EN SITUATION CPGE TSI1 1
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L'action de l'eau sur le safran (solidaire du bras de mèche) est simulée, sur la maquette, par une masse accrochée à un câble articulé en D. Hypothèses : - la liaison pivot entre la poulie de renvoi 8 du câble et le bâti 0 est parfaite, - la déformation du câble 7 est négligée, - l'action du capteur de position sur le bras de mèche est négligée, - seul le poids des masses en bout de câble 7 sera pris en compte, - le mécanisme articulé admet une symétrie de la géométrie et des actions mécaniques : le problème est donc statiquement plan dans le plan - l'action mécaniques exercée par le câble 7 sur le bras de mèche 1 est une force, en D, d'intensité le poids des masses M : CPGE TSI1 3
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1. ETUDE STATIQUE DU BRAS DE MECHE 1 (M) Action du câble sur le bras de mèche 1/ Dans la position proposée par la figure ci-avant, représenter l'action mécanique exercée par 7 sur 1 (on représentera la norme de cette action mécanique par un segment de 50 mm) 2/ Ecrire, sous forme de torseur, l'action mécanique exercée par 7 sur 1 en D 3/ Exprimer, le moment crée en O par l'action de 7 sur 1, en utilisant la méthode "force*bras de levier" (on fera apparaitre la bras de levier, noté, sur la figure page précédente. 4/Déterminer la position pour laquelle la norme de sera maximum, on fera apparaitre les bras de levier correspondant sur la figure ci avant. (Le point D d'accroche du câble se déplace sur l'arc de cercle compris entre le point (vérin sorti) et (vérin rentré) 5/ Exprimer maximum noté en fonction de M, g et 6/ Quelle masse M faudrait il accrocher pour obtenir le couple maximum constructeur? Est-ce possible de simuler cette situation sur la maquette du laboratoire? 7/ Quel couple est engendré par une masse M=23Kg? Modélisation de l'action de la tige de vérin 5 sur le bras de mèche 1 8/ En étudiant l'équilibre de l'ensemble (5+6), montrer que la direction de la résultante de l'action mécanique exercée par 1 sur 5 ( est la droite (ED) 9/ Dans la position "maximale" déterminée à la question 4, déterminer l'expression de en fonction de et le bras de levier qu'on fera apparaitre et qu'on mesurera sur la figure Equilibre du bras de mèche 10/ Ecrire, sous forme de torseur l'action mécanique exercée par 0 sur 1 transmissible par la liaison supposée parfaite, puis, la simplifier en utilisant l'hypothèse de problème plan. 11/ Faire le bilan des actions mécaniques extérieures à 1 12/ En appliquant le théorème du moment statique en O en projection selon, déterminer la résultante de l'action mécanique exercée par 5 sur 1. 13/ En supposant la liaison piston/corps parfaite, déterminer la valeur de la pression théorique dans le vérin (diamètre extérieur : De=40 mm, diamètre intérieur : Di=20 mm) qui permet d'obtenir l'intensité du couple maximal constructeur. Comparer à la pression maximale annoncée par le constructeur. Conclure. 14/ En supposant la liaison piston/corps parfaite, déterminer la valeur de la pression théorique dans le vérin (diamètre extérieur : De=40 mm, diamètre intérieur : Di=20 mm) qui permet d'obtenir l'intensité du couple généré par un masse M de 23 Kg. 15/ Faire un essai permettant de mesurer la pression dans le vérin lors de la manipulation d une masse de 23 Kg (plateau 3 Kg+masses 20 Kg). Comparer la pression mesurée et la pression calculée à la question précédente. Peut-on négliger les frottements dans la liaison corps/tige? CPGE TSI1 5
3. ETUDE DU CONVERTISSEUR D'ALIMENTATION DU MOTEUR D'ENTRAINEMENT DU TAPIS (M) Le groupe hydraulique "Lecomble et Schmitt" utilise : - un moteur électrique à courant continu, tension nominale : 12V vitesse nominale : 1800 tr/mn courant nominal : 15 A couple nominal : 0,6 Nm vitesse à vide : 2300 tr/mn courant maximal à vide : 2,2 A couple de démarrage : 3Nm courant de démarrage : 64 A puissance absorbée : 180 W puissance utile : 110 W - une pompe à barillet, à 6 pistons, débit réglable (0,2 à 2 l/mn) ; pression 25 bars (nominal) un vérin double tige ( diamètre : 40 mm, diamètre tige : 20 mm) Les mouvements du vérin sont produits à partir de la chaîne d'énergie ci-dessous, elle-même pilotée par la chaîne d'information retenue. Selon le sens de rotation de la MCC, le débit hydraulique change de sens et produit soit la rentrée, soit la sortie de la tige du vérin. CHAINE D'ENERGIE i m CONSIGNE DE POSITION V 1 CS PONT EN H v m MCC pompe CHAINE D'INFORMATION fm 1 (t) fm 3 (t) DETECTION ECART DE POSITION REGLAGE RAPPORT CYCLIQUE STRATEGIE MLI MESURE DE POSITION 1/ entourer les fonctions alimenter, convertir, transmettre de la chaîne d'énergie. 2/ entourer les fonctions acquérir, traiter, communiquer les ordres de la chaîne d'information. 3/ on donne ci-après la structure du convertisseur d'énergie utilisé pour mouvoir le tapis. Dans quels quadrants le moteur fonctionne-t-il? CPGE TSI1 6
1 fm 1 (t) Cem, ki m 1 fm 3 (t) at d T d t fm 1 (t) v m fm 3 (t) t W, <v m >/k K 1 V 1 fm 1 (t) i m MCC L K 3 fm 3 (t) V 1 v K2 -v K4 K 2 v K2 K 4 v K4 t Figure 1 4/ proposer un chronogramme des deux fonctions de modulation afin d'obtenir l'inversion du sens de rotation et celui de la tension V K2 -V K4 correspondante. fm 1(t) fm 3(t) V K2-V K4 4. PREMIERE EXPERIMENTATION : sortie de la tige du vérin à vide (aucun poids) (E) Pour cette expérimentation, nous proposons d'analyser l'allure de la tension appliquée à la MCC et le courant qu'elle absorbe pour la sortie du vérin Méthodologie: mettre sous tension le calculateur de bord. En mode manuel, rentrer la tige du vérin Régler l'oscilloscope voie 1 à 5A/division ; calibration sonde à 10A/V ; position de repos de la trace au milieu de l'écran voie 2 à 5V/division ; calibration sonde à 10 ; position de repos de la trace au milieu de l'écran base de temps à 50 sec/division Régler le menu Trigger comme suit: Type front Source de déclenchement : voie 2 Mode normal Pente du signal de déclenchement positive (rising slope) Type edge (front) Couplage du signal au système de déclenchement : CC Trigger level à +1.5 division Trigger position à 1 division depuis la gauche de l'écran Choisir le mode Single Acquisition Schéma du dispositif d'acquisition des signaux tension et courant moteur accessibles depuis les deux fils d'alimentation de la l'induit de la MCC de couleur bleue et marron. CPGE TSI1 7
CHAINE D'ENERGIE i m V 1 CS PONT EN H v m MCC SONDE DE COURANT A EFFET HALL SONDE DE TENSION DIFFERENTIELLE VERS VOIE 1 OSCILLOSCOPE VERS VOIE 2 OSCILLOSCOPE 5/ A partir du calculateur, lancer une commande de sortie de tige. Relever et sauvegarder au format JPEG (fonction Save/Recall de l'oscilloscope) la tension u m et le courant i m de la MCC. Insérer les images dans votre rapport et justifier l'allure des signaux. 6/ reprendre l'expérimentation avec une base de temps plus longue de 250 sec/division. Conclure quand au mode de fonctionnement de la MCC. Mesurer les valeurs que prend la tension appliquée à la MCC et justifier. 5. SECONDE EXPERIMENTATION : rentrée de la tige du vérin à vide (aucun poids) (E) 7/ pour chacune des deux bases de temps suggérées précédemment, relever et sauvegarder les courant et tension de la MCC dans le cas du mouvement inverse de la tige du vérin. A partir du calculateur, lancer une commande de sortie de tige. Relever et sauvegarder au format JPEG (fonction Save/Recall de l'oscilloscope) la tension u m et le courant i m de la MCC. Insérer les images dans votre rapport et justifier l'allure des signaux. 8/ Conclure quand au mode de fonctionnement de la MCC. Mesurer les valeurs que prend la tension appliquée à la MCC et justifier. 6. TROISIEME EXPERIMENTATION : mode automatique de poursuite d'un cap (E) 9/ On propose d'observer les courant/tension de la MCC lors de la poursuite d'un cap en mode automatique du calculateur. Méthodologie: mettre sous tension le calculateur de bord. En mode auto, proposer un cap proche du cap donné par le compas base de temps à 250 msec/division simuler un changement de cap du bateau en déplaçant le compas interpréter les commandes envoyées par le calculateur de bord au hacheur quatre quadrants en observant les courant/tension de la MCC Relever et sauvegarder au format JPEG (fonction Save/Recall de l'oscilloscope) la tension u m et le courant i m de la MCC. Insérer les images dans votre rapport et justifier l'allure des signaux. CPGE TSI1 8