Les systèmes automatisés et la régulation

Un système automatisé est un ensemble de composants qui fonctionne de manière autonome, sans intervention humaine directe et continue, pour réaliser une tâche donnée. Il exécute des actions prédéfinies ou réagit à des événements grâce à un programme.

Définition : Un système automatisé est une machine ou un ensemble de machines qui réalise une tâche complexe de manière autonome, en suivant un programme ou en réagissant à son environnement.

Exemples quotidiens :

• Le lave-linge : il lave le linge en suivant un programme (lavage, rinçage, essorage).
• Les feux de circulation : ils régulent le trafic en fonction de plages horaires ou de la présence de véhicules.
• Les portes automatiques : elles s'ouvrent et se ferment quand une personne est détectée.
• Le four à micro-ondes : il chauffe les aliments pendant un temps défini.

Avantages et inconvénients :

Pour comprendre comment fonctionne un système automatisé, on le décompose en deux grandes parties : la chaîne d'information et la chaîne d'énergie. Elles travaillent ensemble pour réaliser la fonction du système.

• Chaîne d'information : C'est le "cerveau" du système. Elle se charge de recevoir les données, de les interpréter et de prendre des décisions.

  • Acquérir : Les capteurs collectent les informations sur l'environnement (température, lumière, présence...).
  • Traiter : Un microcontrôleur (ou un ordinateur) analyse ces informations et prend des décisions selon un programme.
  • Communiquer : Les ordres sont envoyés aux actionneurs et des informations peuvent être affichées à l'utilisateur.

• Chaîne d'énergie : C'est le "corps" du système. Elle se charge de transformer l'énergie pour réaliser l'action physique.

  • Distribuer : L'énergie nécessaire au fonctionnement est acheminée (électricité, air comprimé...).
  • Convertir : Des pré-actionneurs adaptent l'énergie pour les actionneurs.
  • Transmettre : L'énergie est transmise aux actionneurs.
  • Agir : Les actionneurs réalisent l'action physique (mouvement, chauffage, éclairage...).

Flux d'information et d'énergie : L'information circule des capteurs vers le traitement, puis vers les actionneurs. L'énergie, elle, circule de la source vers les actionneurs pour réaliser l'action.

On distingue principalement deux catégories de systèmes automatisés :

• Systèmes à boucle ouverte :

  • Ces systèmes réalisent une tâche sans vérifier si le résultat est correct.
  • Ils n'ont pas de retour d'information (feedback).
  • Exemple : Un grille-pain. Vous réglez le temps de cuisson, il grille le pain pendant ce temps, sans vérifier s'il est assez doré ou non.

• Systèmes à boucle fermée (régulés) :

  • Ces systèmes sont plus complexes. Ils mesurent en permanence le résultat de leur action et ajustent leur fonctionnement en fonction d'un objectif (consigne).
  • Ils utilisent une boucle de rétroaction (feedback).
  • Exemple : Le thermostat d'un chauffage. Il mesure la température ambiante, la compare à la température désirée (consigne) et allume ou éteint le chauffage pour maintenir la température souhaitée.

Les capteurs sont les "sens" du système automatisé. Leur rôle est de collecter des informations sur l'environnement physique et de les transformer en un signal électrique compréhensible par la partie traitement.

• Rôle des capteurs : Détecter une grandeur physique (température, lumière, distance, présence, pression...) et la convertir en un signal électrique (tension, courant).
• Types de capteurs :
  • Capteur de température : Mesure la chaleur (ex: sonde de four, thermostat).
  • Capteur de lumière : Détecte l'intensité lumineuse (ex: LDR pour éclairage automatique).
  • Capteur de présence : Détecte un objet ou une personne (ex: capteur infrarouge pour porte automatique).
  • Capteur de distance : Mesure l'éloignement d'un objet (ex: ultrason pour robot).
• Conversion physique-électrique : Un capteur transforme une grandeur physique (ex: 25°C) en un signal électrique (ex: 2.5 Volts). Le microcontrôleur interprète ensuite cette tension.

Le microcontrôleur est le "cerveau" du système automatisé. C'est une petite carte électronique programmable qui reçoit les informations des capteurs, les traite et envoie des ordres aux actionneurs.

• Rôle du microcontrôleur (carte programmable) : Exécuter un programme qui analyse les données des capteurs et prend des décisions selon une logique prédéfinie.
• Algorithme et programme :
  • Un algorithme est une suite logique d'étapes à suivre pour résoudre un problème. C'est la "recette".
  • Un programme est la traduction de cet algorithme dans un langage compréhensible par le microcontrôleur. C'est la "recette écrite en code".
• Exemples de cartes :
  • Arduino : Très populaire pour les projets électroniques, facile à programmer.
  • micro:bit : Conçue pour l'éducation, simple d'utilisation avec un environnement de programmation visuel ( blocs).

Une fois l'information traitée, le microcontrôleur doit communiquer ses ordres.

• Transmission de données : Les ordres sont envoyés sous forme de signaux électriques aux pré-actionneurs, qui eux-mêmes activent les actionneurs.
• Interfaces homme-machine (IHM) : Ce sont les moyens par lesquels l'utilisateur interagit avec le système ou reçoit des informations.
  • Entrée : Boutons, écrans tactiles, claviers.
  • Sortie : Écrans d'affichage, voyants lumineux, haut-parleurs.
• Affichage et signalisation : Des voyants, des écrans LCD, ou des buzzers peuvent être utilisés pour informer l'utilisateur de l'état du système ou pour signaler un événement.

La distribution de l'énergie consiste à apporter l'énergie nécessaire au fonctionnement des différents composants du système.

• Sources d'énergie :
  • Électrique : La plus courante (secteur, piles, batteries).
  • Pneumatique : Air comprimé (pour vérins, outils pneumatiques).
  • Hydraulique : Liquide sous pression (pour vérins puissants).
• Alimentation électrique : Transformatrice la tension du secteur (230V) en une tension utilisable par le système (ex: 5V, 12V).
• Protection des circuits : Des fusibles ou disjoncteurs protègent les équipements contre les surintensités.

Les pré-actionneurs sont des intermédiaires entre la partie commande (chaîne d'information) et les actionneurs. Leur rôle est d'adapter le faible signal électrique du microcontrôleur en une énergie suffisante pour actionner les composants de puissance.

• Rôle des pré-actionneurs : Amplifier le signal électrique ou le transformer pour pouvoir commander un actionneur. Ils agissent comme des "interrupteurs de puissance".
• Types de pré-actionneurs :
  • Relais : Interrupteur électromagnétique qui permet de commander un circuit de puissance avec un faible courant.
  • Contacteurs : Similaires aux relais mais conçus pour des courants plus importants (moteurs industriels).
  • Variateurs de vitesse : Permettent de contrôler la vitesse d'un moteur.
• Exemples d'utilisation : Un relais permet à un microcontrôleur (5V, faible courant) d'allumer une lampe (230V, courant fort).

Les actionneurs sont les "muscles" du système automatisé. Ils reçoivent l'énergie adaptée par les pré-actionneurs et la transforment en une action physique.

• Rôle des actionneurs : Réaliser l'action physique souhaitée par le système (mouvement, chauffage, éclairage, son...).
• Types d'actionneurs :
  • Moteurs : Transforment l'énergie électrique en mouvement de rotation (moteur à courant continu, moteur pas à pas).
  • Vérins : Transforment l'énergie pneumatique ou hydraulique en mouvement linéaire.
  • Lampes / LED : Transforment l'énergie électrique en lumière.
  • Résistances chauffantes : Transforment l'énergie électrique en chaleur.
  • Haut-parleurs / Buzzers : Transforment l'énergie électrique en son.
• Transformation de l'énergie en action : Un moteur électrique transforme l'énergie électrique en énergie mécanique de rotation.

La programmation est essentielle pour donner des instructions au microcontrôleur.

• Algorithme et organigramme :
  • Un algorithme est la description des étapes logiques.
  • Un organigramme est une représentation graphique de cet algorithme, utilisant des symboles standards pour les étapes, les décisions, etc.
• Instructions conditionnelles (SI...ALORS...SINON) : Permettent au programme de prendre des décisions en fonction de conditions.
  • SI (condition est vraie) ALORS (faire action A) SINON (faire action B)
  • Exemple : SI (température > 25°C) ALORS (allumer le ventilateur) SINON (éteindre le ventilateur).
• Boucles (RÉPÉTER...JUSQU'À) : Permettent de répéter une série d'instructions un certain nombre de fois ou jusqu'à ce qu'une condition soit remplie.
  • RÉPÉTER (action) TANT QUE (condition est vraie)
  • POUR (chaque élément de la liste) FAIRE (action)
  • Exemple : RÉPÉTER (clignoter la LED) PENDANT (10 fois).

La régulation est un processus qui permet à un système de maintenir une grandeur physique (température, niveau, vitesse) à une valeur désirée, appelée consigne, malgré les perturbations.

• Définition de la régulation : C'est l'action de maintenir une grandeur physique (variable réglée) égale à une valeur désirée (consigne) en agissant sur une autre grandeur (variable d'action) grâce à une mesure en retour.
• Boucle de rétroaction (feedback) : C'est le principe fondamental de la régulation.
  1. Mesure de la grandeur actuelle (par un capteur).
  2. Comparaison avec la consigne.
  3. Calcul de l'écart.
  4. Action corrective (par un actionneur) pour réduire cet écart.
  • Cette boucle se répète en permanence.
• Objectif de la régulation : Maintenir la stabilité du système et atteindre la valeur de consigne avec précision.

La régulation est partout dans notre quotidien.

• Régulation de température :
  • Thermostat de chauffage : Mesure la température de la pièce, la compare à la consigne (ex: 20°C). Si la pièce est trop froide, il allume la chaudière. Si elle est trop chaude, il l'éteint.
  • Four : Maintient une température constante pour la cuisson.
• Régulation de niveau :
  • Chasse d'eau des toilettes : Un flotteur (capteur de niveau) détecte le niveau d'eau. Quand le niveau est bas, il ouvre le robinet pour remplir le réservoir. Quand le niveau est atteint, il ferme le robinet.
• Application dans la vie courante : Régulateur de vitesse en voiture, climatisation, systèmes de maintien de pression, etc.

Avant de construire un système, il faut bien comprendre le besoin.

• Diagramme bête à cornes : Permet de définir la fonction d'usage du produit.
  • À QUI rend-il service ?
  • SUR QUOI agit-il ?
  • DANS QUEL BUT ?
  • Exemple : Le LAVE-LINGE (à l'UTILISATEUR) lave (le LINGE SALE) dans le but (de le rendre PROPRE).
• Diagramme pieuvre : Permet d'identifier toutes les fonctions de service (principales et contraintes) que le produit doit assurer.
  • Fonction principale (FP) : La raison d'être du produit.
  • Fonctions contraintes (FC) : Ce que le produit doit respecter (sécurité, esthétique, coût, énergie...).
• Cahier des charges fonctionnel (CdCF) : Document qui récapitule toutes les fonctions et leurs niveaux d'exigence. Il sert de base pour la conception.

Une fois le besoin défini, on choisit les composants.

• Sélection de capteurs : En fonction des grandeurs physiques à mesurer (température, lumière, présence, etc.) et de la précision requise.
• Sélection d'actionneurs : En fonction de l'action physique à réaliser (mouvement, éclairage, chauffage) et de la puissance nécessaire.
• Choix de la carte programmable : Dépend de la complexité du programme, du nombre d'entrées/sorties nécessaires, et de l'environnement de programmation souhaité (Arduino, micro:bit, Raspberry Pi...).

C'est l'étape de la mise en œuvre et de la validation.

• Écriture du programme : Traduire l'algorithme en code sur la carte programmable (ex: langage C++ pour Arduino, blocs pour micro:bit).
• Assemblage des composants : Connecter les capteurs, actionneurs et pré-actionneurs à la carte programmable selon le schéma de câblage.
• Débogage et validation :
  • Débogage : Rechercher et corriger les erreurs dans le programme ou le câblage.
  • Validation : Tester le système pour s'assurer qu'il répond bien aux exigences du cahier des charges fonctionnel. On vérifie que le système fait ce qu'on lui demande de faire.