Automatique 1

Bon je m’attaque à quelque chose difficile à vulgariser pour moi, pour la bonne et simple raison que c’est mon quotidien et mon métier : l’Automatique. Un mot qui paraît commun et anodin, mais il représente également une science, ou plutôt une démarche et une technique… C’est une discipline qui fait partie de l’électronique. En anglais on utilise le terme « Automatic Control » ou tout simplement « Control ». Pour être général on parle souvent de « Control Theory ». Cette théorie du control repose essentiellement sur des fondements mathématiques. Quand vous répondez à quelqu’un de votre famille (pour l’essentielle constituée de profs dans des domaines littéraires ne sachant pas ce que signifie une simple fonction affine) qui vous interroge sur votre métier, c’est toujours difficile de répondre aux mêmes questions:

• Tu fais quoi dans la vie ?
• Je vais être ingénieur et je veux faire de la Recherche.
• Ingénieur en quoi ? Recherche en quoi ?
• En génie électrique, électronique, spécialisé en automatique.
• Et ça consiste en quoi ?

La conversation ne va guère plus loin, c’est pour cela que je fais cet article !!Comme le sujet est vaste, je vais dans un premier temps aborder le terme « automatique » dans un sens très large. Je vais commencer par décrire ce que l’on appelle l’asservissement et l’automatisme (en parlant un peu d’instrumentation), puis ensuite introduire la modélisation, l’identification et enfin les différences entre systèmes continus, discrets ou hybrides. Dans un dernier temps, je vais essayer d’entrevoir un peu ce qu’est l’automatique à proprement parler avec différentes techniques. 

L’asservissement est l’art d’asservir. Facile non ? Cela veut tout simplement dire que l’on veut contrôler quelque chose de concret, qui se comporte comme on le souhaite. Il existe deux grands types d’asservissement :

• La régulation qui consiste à réguler une grandeur physique, un exemple pourrait être de réguler la température dans une pièce (un thermostat en fait).
• Le suivi qui a pour objectif de contrôler une trajectoire, par exemple pour le décollage d’une fusée on doit asservir tous les moteurs de la fusée pour qu’elle respecte bien sa trajectoire pour sortir de l’attraction terrestre.

On comprend aisément que l’asservissement régit notre quotidien et qu’il est de plus en plus présent dans notre vie de tous les jours : voitures, ascenseurs, ordinateurs… En général on peut asservir trois type de grandeurs : une position, une vitesse ou une accélération. L’objectif est d’être précis, rapide, stable et de limiter les dépassements. Je m ‘explique, si on veut réguler la vitesse d’une voiture, on veut atteindre la consigne (on parle toujours de consigne à atteindre, par exemple la consigne de vitesse est de 100km/h) le plus vite possible et on ne veut pas aller à 105 km/h ou 95 km/h, on veut rouler pile à 100km/h. De plus, avant d’atteindre cette vitesse de manière stable et durable, on veut la dépasser le moins possible (autant éviter de passer par 150km/h pour aller de 80 à 100). Voilà le challenge !

L ‘astuce de l’asservissement est de « boucler » le système à contrôler. Avant d’expliquer ce qu’est le bouclage, je vais d’abord introduire les concepts de base avec l’exemple d’asservissement de la vitesse de la voiture :

 

Nous autres automaticiens, on adore les petites boites, on va donc placer notre système (la voiture) dans une boite. Cette boite possède deux entrées et une sortie. Les entrées sont ce qui va influencer la sortie. Dans notre cas, la vitesse de la voiture dépend de la pression appliquée sur l’accélérateur (on simplifie, pas de boite de vitesse ni quoique ce soit d’autre) et des perturbations extérieures inconnues (la pente de la route…). Pour asservir notre vitesse on a une seule action possible : l’accélérateur. Si je résume en automaticien ça donne :

• Une variable à controler (CV) : la vitesse
• Une variable à manipuler (MV) : la pression de l’accélérateur
• Une perturbation : la pente de la route

Le système tel qu’il est représenté au dessus est dit en « boucle ouverte » car la vitesse n’influence en rien la pression de l’accélérateur. On va donc venir créer une « boucle fermée » pour asservir le système :

 De cette manière, la pression sur l’accélérateur dépend de la vitesse de la voiture. Si la voiture roule à 80km/h, on va venir induire une pression sur l’accélérateur de 100-0.5*80 = 60%. Une fois la vitesse de 100km/h atteinte, on aura une pression sur l’accélérateur de 100-100*0.5 = 50%. Si cette valeur est celle permettant de stabiliser la vitesse de la voiture à 100km/h alors le système est stable, si par contre pour rester à 100km/h il faut respecter une pression sur l’accélération de 40%, la consigne va être dépassée et la vitesse va venir osciller autour de 100km/h sans jamais y rester. Quand la perturbation agit sur le système, la vitesse de la voiture s’en trouve affectée, et donc automatiquement, la pression sur l’accélérateur va changer. Si il y a une côte, la vitesse va chuter ce qui va entraîner une hausse de l’accélération. Notre vitesse est donc bien régulée.

Après, toute la finesse réside dans le fait de trouver le fameux coefficient « 0.5 » utilisé dans le retour de la boucle. Pour calculer ce gain, de nombreuses méthodes mathématiques existent. Cela s’appelle de retour d’état ! Il n’y a pas de solution unique, cela dépend de ce que l’on veut. Si on utilise un gain de retour important, le système va être lent mais le dépassement de la consigne sera minimal. Pour un gain petit, le système va réagir très vite mais on risque de passer par 150km/h avant de retomber à 100km/h. De plus on doit d’assurer que le système va être stable et qu’il n’y aura pas d’erreur de précision. Par exemple si le gain vaut « 1 », on n’atteindra sûrement jamais les 100km/h.

 Cette méthode est la plus simple et la plus intuitive. Le conducteur produit naturellement ce comportement. Il accélère jusqu’à atteindre la vitesse souhaitée, il lève le pied si il la dépasse et réaccélère si sa voiture perd de la vitesse (en simplifiant énormément car ici je ne tiens pas compte de l’anticipation que peut avoir un conducteur en regardant au loin, cet aspect sera décrit plus tard dans une technique appelée commande prédictive). Pour mettre en place ce contrôle automatique, il faut faire appel à l’automatisme. L’automatisme représente les différentes technologies utilisées pour mettre en œuvre l’asservissement à l’aide de capteurs et d’actionneurs que l’on regroupe sous le terme instrumentation. Il faut choisir quel capteur utiliser pour mesurer la vitesse de la voiture (l’information du compteur, des capteurs situés sur les roues servant à l’ABS ou les données du GPS) et comment modifier la vitesse de la voiture. Il paraît plus logique d’actionner la vanne papillon de l’injection d’essence plutôt que de mettre un petit vérin hydraulique pour appuyer directement sur la pédale !! Concernant les capteurs, le choix n’est pas si simple qu’il n’y paraît sur nos voitures modernes. Une voiture peut disposer jusqu’à 6 ou 7 informations de vitesse, toutes différentes. Il existe alors des théories dite de « fusion de données » pour approcher la valeur la plus vraisemblable en utilisant toutes ces informations en même temps. Là encore, c’est beaucoup de mathématiques et d’algorithmes, ça rappellera sûrement un petit cours de filtrage de Kalman à certains J.