Robotisme et Automatisme

« peuvent prendre que deux états : vrai ou faux , ouvert ou fermé , oui ou non, O ou 1 (codage binaire en informatique notamment).

Toute proposition logique peut se mettre sous la forme énoncée ci-dessus d'où la nécessité : •d'un outi l mathématique pour traiter les propositions logiques : il s'agit de l'algèbre de Boole, • d'une représentation physique pour matérialiser les opérateurs fondame ntaux : les circuits logiques.

Une fonction booléenne est donc une quantité booléenne dont la valeur dépend d 'un certain nombre de variab les booléennes.

Les opérateurs logiques peuvent s'appliquer aux signaux électriques de la même manière qu'ils s'app liquent aux symboles 0 et 1 (signaux électriques numériques).

L'opération qui permet d'obtenir le signa l A et Best effectuée par des circuits numérique s spécialisés que l'on appelle les circuits logiques.

Chacun de ces circui ts a une fonction qui lui est propre.

À chaque opérateur logique correspond un circuit spécifique.

Il faut donc construire un appareil particulier renfermant un circuit pour chacune des fonct ions logiques dont o n a besoin.

Concevoir un circuit, c'est relier électriquement entre eux un certa in nombre de composants .

Cette opération de connexion s'appelle un câblage et le circuit prend alors le nom de logique câblée .

Cette technique était encore l a plus utilisée jusqu'à l'avè nement des circuits intégrés.

1950 À NOS JOURS : À partir des années 1950 débute l'époque de l'automatisme «moderne ».

Au début des années 70, le bilan de la concep tion des systèmes logiques n'était pas brillant.

Dans l 'industrie , les méthodes pratiques de synthèse restaient dans l'ensemble empiriques et rattachées à la technologie des automatismes à relais , reposant sur des circuits à logique câblée reliés entre eux par des relais ou interrupteurs qui laissaient ou non passer le courant.

En 1975, un groupe de travail de l 'AFCET (Association Française pour la Cybernétique Économique et Technique) décide de créer une commission « normalisation de la représentation du cahier des charges d 'un automatisme logique ».

La norme GRAFCET est le produit de cette réflexion.

Elle voit le jour en 1977.

En 1987, le GRAFCET devient une norme internationale .

Le GRAFCET est utilisé pour décrire et commander l'évo lution du système.

Un GRAFCET se compose: •d'étapes, auxquelles on associe des actions, • de transitions , auxquelles on assoc ie des récep tivités, • de liaisons orientées r eliant les étapes aux transition s et inversement.

Vers la fin du XX' s iècle, la conception des calcu lateurs bouleverse le monde de la robotique permettant ainsi l'élabor ation de méthodes d 'analyse plus comple xes.

On peut désormai s concevoir des systèmes non linéaires , prendre en considé ration l'impact de phénomènes aléatoires.

DÉFINITIONS Il existe deux familles de procédés automatisés.

Les premiers sont les systèmes soumis à des signaux booléens (dits séquent ie ls).

Ils ont la particularité d 'avoir un comportemen t totalement prévisible car ils sont décrits par un ensemb le fini de variables logiques.

Leur évolution n'a lieu que si une ou plusieurs variables changent d'état.

Une perceuse automatisée est par exemple un processus de type booléen : les entrées/sorties sont des signaux booléens .

La seconde fam ille compre nd les processus analogiques (évo lution continu e en fonction du temps des variables ) : elle regroupe les processu s asserv is et les systèmes en chaîne directe (systèmes commandés).

Un système asservi présente un retour d'état des grandeurs de sortie (effectué à l'aide de capteurs).

Il y a donc contrô l e de l'exécution.

Ce retour permanent de l'information justifie une autre appe llation des systèmes asserv is : systèmes en boucle fermée .

On retrouve un tel système pour les missiles par exemple.

À chaque instant la position du missile est vérifiée pour modifier la trajectoire si nécessaire.

Un asservissement est nommé selon la nature de la grandeur de sortie (asservissement de position , de vitesse, de débit ou de température ).

Si le système ne possède qu'un couple d'entrée /sortie, il est dit monovariable .

Si la grandeur de sortie est une grandeur mécanique , le système asservi est nommé servomécanisme.

Les processus de poursuite Ils ont pour but de maintenir l'égalité entre l e sign a l de référence et le signal de sortie, et ce quelles que soie nt les variations du signa l de consigne.

On peut par exemple citer le système d'asservissement des gouvernes de vol d 'un avion .

Les processus de régulation Ce sont des systèmes de commande qui maintiennent des grandeurs physiques à des constantes prédéfinies comme le maintien de la température jamais des phénomènes parasites viennent perturber le déroulement du processu s, aucune réaction compensatoire ne sera automatiquement réalisée ).

TERMINOLOGIE Un système est défini par une frontière d 'isolement.

En effet, certaines grandeurs externes peuvent influer sur son comportement.

Il en existe deux principales catégories : les grandeurs d'entrée et les perturbations (phéno mène s physiques qui nuisent à la bonne réalisation de la fonction recherchée, les frottements par exemp le).

Un tel système est composé d'une partie commande (PC) et d'une partie opérative (PO).

L a représen tation met en évidence deux chaînes : une chaîne directe également appelée chaîne d'action et une chaîne de retour ou chaîne de réaction.

La première assure la fonction de commande et de puissance .

La fonction comparaison délivre un signal appelé écart et conventionnellement noté E .

Pour corriger cette erreur, on emp loie des régulateurs.

Le plus utilisé en industrie est le PID : Proportionnel Intégral Dérivé .

L e PID permet 3 actions simultanées sur l'erreur consigne/mesure : • une action proportionnelle : l'erreur est multipliée par un gain G, • une action intégrale : l'erreur est intégrée sur un intervalle de temps Ti, • une action dérivée : l'erreur est dérivée suivant un temps T d.

1--------------------------- d 'un four .

Les processus de poursuite La seconde assure la fonction de détection .

Cette dernière est assurée par un capteur qui permet d'effectuer une mesure de la grandeur de sortie.

Il délivre un signa l qui doit être de même nature physique que le signal de consigne pour pouvoir lui être comparé .

En industrie, les capteurs les plus répandus sont les capteurs dits intelligents .

En effet, ils comp rennent, en plus d 'un capteur basique, un microcontrôleur qui lui permet d'effectuer davantage d'opérations comme le traitement du signa l prélevé , un auto-éta lonnage ...

Par opposition à un capteur« classique» qui renvoie la valeur du paramètre qu'il contrôle , un capteur intelli gent renvoie une information.

Représentation d'un automatisme selon la norme GRAFCET liaison orientée vers le haut étape liaison orientée vers le bas action associée à une étape présentent en géné ral des temps de réaction très faibles (inférieurs à une seco nde) tandis que ceux de régulation sont caracté risés par des temp s beaucoup plus g rands.

Système en chaine direde Un système en chaîne directe est de même nature qu'un systè me asservi QUALITÉS D 'UN SYSTÈME ASSERVI Le cahier des charges d 'un asservissement impose généralement un certain nombre de contraintes sur le comportement du système (passage d'une position à une autre sur un axe de robot par exemp le).

Celles-ci portent sur la précision, la rapidité, la stabil ité et l'amortissement.

Précision Elle qualifie l'aptitude du système à atteindre la valeur souhaitée.

Elle est caractérisée par la différence entre la valeur visée et celle effectivement atteinte par la grandeur de sortie.

mais la commande s'effectue Rapidité directement, c'est-à-dire sans retour Elle caractérise la« vitesse» avec d'état (pra tiquement , cela signifie que si laquelle un système peut passer d'une action à une autre.

Le critère d'éva luation est le temps de réponse à n %, c'est-à-dire le temps que met la réponse pour que la vale ur abso lue de l a différence entre la valeur finale et la valeur instantanée reste inférieure à n % de l a valeur finale.

En pratique , on utilise le temps de réponse à 5 % .

Stabilité C'est peut-être le plus important des critères .

En effet, un système instable est inuti lisable ! La grandeur de sortie d'un système, fonction du temps, présente d'abord un régime tran sitoire; celui-ci est suivi au bout d 'un temps suffisamme nt long par un régime dit permanent.

Il est impératif que la grandeur de sortie c~nve rge vers une valeur constante.

Amortissement Lors du passage d'une valeur à une autre, la grandeu r de sortie d 'un système peut présenter des oscillations.

Il est important que le régime transitoire soit bien amorti (sans toutefois trop nuire à la rapidité du systè me).

En pratique , il faut souvent rechercher un compromis entre amortissement et rapidité.

Exemples industriels Les systèmes de commande en chaîne directe, qui ont connu un grand succès dans le passé , trouvent encore aujo urd'hui des applications en raison de leur simpl icité, mais dans la plupart des cas, ils ont été remplacés avantageusement par des systèmes asservis qui permettent la réalisation d'une tâche désirée avec une fiabilité et une précision nettement supérieures.

En voic i quelques exemp les : • le four électrique : système de régulation de température .

• le pilotage d'un véhicule correspond à un processus multivariable.

Les variab les d'entrées sont le freina ge, la direction, la course de la pédale d'accé lérateur , les variables de sortie sont la position et la vitesse du véhicule, l'état de la route .

Le vent et la circulation sont des perturbations .

• le but d 'un château d'eau est de gara ntir une pression de 4 bars à l'utilisateur.

L'emploi d'un capteur assure un retour d'informations .

Si une différence existe entre la consigne et la pression réelle au robinet du particu lier, une vanne s'ouvre alors pour remplir le château d'eau et remonter le niveau de pression : le proces sus fonctionne en boucle fermée.. »