Régulation industrielle les outils de modélisation

 Comment définir l’automatique?

La régulation est une des techniques, sans aucun doute à avoir vocation industrielle, de la théorie des systèmes automatiques asservis, utilisés en automatique. Cette discipline, qui fait partie des sciences de l’ingénieur, nécessite néanmoins d’être préalablement précisée, le Petit La rousse illustré propose la définition suivante: «Automatique: science et technique de l’automatisation, qui étudient les méthodes scientifiques et les moyens technologiques utilisés pour la conception et la construction de systèmes automatiques. » L’automatique peut donc se définir comme un ensemble de théories mathématiques et une technique de raisonnement concernant la prise de décision et la commande de systèmes.La traduction anglaise automatic control est plus explicite puisqu’elle précise la notion de commande. Le terme anglais control est un faux ami à ne surtout pas traduire par « contrôle », il signifie commande. L’automatique ne s’est longtemps appliquée qu’aux systèmes mécaniques et électromécaniques, mais elle est maintenant aussi utilisée en gestion, biologie, économie, etc.

Notion de systèmes automatiques

Précisons tout d’abord le mot système avec la définition du dictionnaire Larousse :«Un système consiste en une combinaison de parties qui se coordonnent pour concourir à un résultat. » Des objets agencés entre eux, c’est-à-dire ayant une certaine dépendance, constituent un système réalisant une certaine fonction. Les entrées sont les signaux qui apportent au système les informations du milieu extérieur, les sorties fournissent la réponse du système par dépendance des entrées; on peut parler de causes (entrées) et d’effets (sorties). On utilise de manière synonyme à système le terme procédé ou même processus (process en anglais). La commande consiste à appliquer,via les entrées de commande,une action sur le système de manière àobtenirensortieuncomportementdéterminé.Cettesollicitations’exercesouventparl’intermédiaire d’une variation sur le flux d’énergie ou de matériau injecté dans le système. Lorsque cette influence est exercée par l’homme, la commande est dite manuelle. Lorsque l’homme est remplacé par des dispositifs techniques autonomes, on parle de commande automatique. Les systèmes de commande automatiques copient le plus souvent le comportement de l’homme. Un exemple introductif simple s’obtient par l’observation d’un conducteur au volant de son véhicule. Le système que l’homme commande est sa voiture dans l’environnement de la route; le cerveau et les membres constituent les organes de décision et de commande. Les décisions concernantladirection, l’accélérationetlefreinage sont prises,àpartir desmesureseffectuéespar l’œil, de manière à satisfaire un critère de performance qui peut êtreun compromis entre la durée du trajet, le confort, la consommation ou les réglementations. Cet exemple révèle les trois phases fondamentales accomplies par l’homme : – observation; – réflexion; – action, puis retour à l’observation. Il est intéressant de noter que des types d’action différents peuvent être appliqués, en fonction des critères intégrés lors de la phase de réflexion. Par exemple on peut comprendre intuitivement qu’un conducteur pressé appliquera une succession de freinages et d’accélérations, au détriment de sa consommation alors qu’un conducteur économe adoptera une conduite plus souple. La structure à trois phases met en évidence une opération de bouclage (feedback en anglais). Ce retour constitue l’une des notions fondamentales de l’automatique. Il existe deux grands types de systèmes automatiques : – lessystèmeslogiquescombinatoiresetséquentiels,câblésouprogrammés, quin’ontpasnécessairementunestructurebouclée,c’est-à-direqu’ilsneprennentpasnécessairementenconsidération une mesure sur l’état courant du système. De plus l’automatisation porte sur un nombre fini d’opérations prédéterminées dans leur déroulement. Par exemple un programmateur de machine à la ver automatique est un tel système.Detelssystèmessontappeléssystèmesàévénements discrets ou encore automatismes séquentiels; – lessystèmes asservis, fonctionnant en maintien d’une grandeur donnée ou en poursuite d’une loi de référence. Dans le cas des systèmes asservis, toutes les situations possibles n’étant pas prévisibles (arrivée d’une perturbation par exemple), le déroulement des opérations ne peut être prédéterminé à l’avance. Les systèmes asservis sont nécessairement bouclés, c’est-à-dire qu’une mesure de la situation est en permanence prise en considération dans la détermination de la commande. Un système complexe peut présenter simultanément des aspects séquentiels et des aspects continus, on parle alors de systèmes hybrides ou de traitement « par lots » ou batch. Des confusions interviennent parfois entre automatismes, terme qui désigne des systèmes séquentiels, et automatique qui a une portée plus générale.

 Régulation ou asservissement?

Bien que les outils et méthodes soient communs aux régulations et aux asservissements il est préférable de définir ces termes : – Régulation : une grandeur physique doit être maintenue à un niveau constant en dépit de la présence de perturbations. – Asservissement : une grandeur physique doit suivre une évolution temporelle imposée par l’utilisateur du système. Concernant les techniques de commande, cet ouvrage met l’accent sur un ensemble de méthodologies et techniques de commande que l’on retrouve dans tous les secteurs d’application. Une orientation particulière est accordée à la problématique de la régulation industrielle. Le Petit Larousse donne cette définition : « Industrie : ensemble des activités économiques qui produisent des biens matériels par la transformation et la mise en œuvre de matières premières. » Suivant cette définition sont concernées en premier lieu des industries qui mettent en œuvre des systèmesderégulation pourpiloterleurprocessus detransformation. Ainsi cetouvrage s’intéresse de ce fait : – aux procédés : modélisation, identification, caractérisation, etc.; – aux systèmes de contrôle et de commande : lois de commande classiques et avancées, produits de contrôle commande disponibles (systèmes numériques de contrôle commande (SNCC), automates programmables industriels (API), etc.); – aux mesures et actions : capteurs, actionneurs, pré-actionneurs (convertisseurs de puissance); – à l’homme, dans sa relation avec son système de contrôle et de commande : supervision, pilotage, réglage… Cependant les outils méthodologiques abordés (des outils théoriques à l’analyse et à la commande) pourront intéresser également tous les ingénieurs de recherche et développement ayant à traiter des problèmes de commande. Dans cet esprit, la modélisation des actionneurs électriques est abordée de par leur importance croissante dans tous les domaines où des chaînes de motorisation sont mises en œuvre, mais aussi les systèmes d’électronique de puissance. Le choix des méthodes de commande retenues a été guidé par leur potentiel dans le cadre des problèmes industriels : – les correcteurs et les régulateurs « classiques » : régulateurs PI et PID, à avance de phase, etc., en raison de leur importance pratique; – des méthodes plus«avancées»:approche polynomiale(structureRST),commande prédictive, commande dans l’espace d’état, logique floue. Ces méthodes de commande attirent par ailleurs les remarques suivantes : – les régulateurs PI-PID peuvent résulter d’une méthode de synthèse évoluée, toute loi de commande réalisant globalement une combinaison de ces fonctions élémentaires; – certainestechniquespropres àl’espaced’état(chapitres5et15),éventuellementassociéesàdes méthodes d’identification (chapitre 7), peuvent être utilisées comme techniques de base pour des problèmes de détection de panne ou encore pour des objectifs de maintenance prédictive; – le choix d’une méthode de commande n’est pas un problème simple et dépend de multiples facteurs, tenant compte avant tout du cahier des charges mais aussi d’autres aspects comme le coût, la facilité de réglage sur site, le niveau de modélisation requis pour la synthèse, le niveau de formation, etc.; une brève analyse est effectuée dans le chapitre 20, en guise de conclusion, avec un tableau comparatif, suivant différents critères, des méthodes exposées. Certaines méthodes assez récentes comme l’optimisation H`, à séquencement de gains (LPV) ou encore des techniques de platitude, n’ont volontairement pas été abordées. Ces techniques ont actuellement peu d’applications industrielles : d’une part leur haut niveau de technicité nécessite un degré de formation assez élevé en automatique, d’autre part, en raison d’une algorithmique «lourde»,ellesnécessitentl’utilisation d’outils logicielstrèsspécialisés.Bien que l’on retrouve ces méthodes dans différents domaines(comme l’automobile sur des problèmesponctuels),leurssecteurs applicatifs typiques sont les milieux de l’aéronautique, l’aérospatiale, les structures flexibles, etc.