Les organes commandés
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ENSIEG 1ère année Partie 1 TD d'Automatique ANALYSE DU FONCTIONNEMENT DE REGULATEURS ET ASSERVISSEMENTS. NOTION DE SCHEMA FONCTIONNEL I/ Asservissement de vitesse II / Asservissement de position en usinage III / Régulation de niveau IV / Régulation de température V / Asservissement du système de focalisation d'un faisceau laser pour l'enregistrement de vidéo disque VI / Evaporation dans un procédé de polycondensation pour la production de polymères Pour chacun des montages ci-dessous, analyser le fonctionnement et étudier comment est réalisée la fonction de régulation ou d'asservissement. Donner le schéma fonctionnel correspondant (aucune mise en équation n'est demandée). I / ASSERVISSEMENT DE VITESSE d'un moteur à la position d'un curseur d'un potentiomètre Amplificateur DT Moteur Ue Charge A U UR Ce système est destiné à asservir la vitesse d’un moteur M à la position d’un curseur d’un potentiomètre. M est un moteur à courant continu commandé par la tension d'induit u et dont l’arbre de sortie est soumis à une charge inertielle, des frottements visqueux, des frottements secs,... Cet arbre est aussi fixé à une dynamo tachymétrique DT qui délivre une tension proportionnelle à la vitesse du moteur. Montrer que ce schéma permet d'asservir la vitesse du moteur à la position du curseur. Examiner le cas de perturbations sur l'arbre du moteur (par exemple apparition d'un couple résistant). II / ASSERVISSEMENT DE POSITION EN USINAGE Le schéma ci-dessus représente un asservissement de la position y d'une fraise F qui doit reproduire (dans un plan) sur la pièce à usiner PU le profil donné par le modèle d'usinage MU. La pièce et le modèle sont fixés sur une table mobile T qui se déplace horizontalement (axe dans le plan) à la vitesse V0. Un capteur Cs mesure la valeur de y et transmet celle-ci par l'intermédiaire de la tige rigide et guidée TM (verticalement dans le plan) au potentiomètre de sortie Ps qui transforme proportionnellement (Kps) la position linéaire y en tension us. Cette tension est comparée à la tension ue qui correspond à la consigne w. Un palpeur P et une tige guidée TP transforment par l'intermédiaire d'un potentiomètre la position de consigne w en tension ue; ue est proportionnelle (Kpe) à w. Le signal d'erreur ue-us est amplifié (gain Ka) en tension et en puissance par la chaîne A dont le dernier étage alimente le circuit d'excitation d'un moteur à courant continu. On remarquera que, contrairement au montage habituel, le moteur travaille à courant d'induit ia constant et que le couple moteur est proportionnel au flux donc au courant d'inducteur ie. Ce moteur entraîne au moyen d'un système de vis sans fin SM de gain KF la fraise F dont la rotation est assurée par un moteur électrique Ma tournant à vitesse pratiquement constante. Pour cet asservissement, préciser les conditions de suivi parfait. III / REGULATION DE NIVEAU B xB I xA A flotteur N vérin citerne DE Vanne VE Vanne VS Ce régulateur est destiné à maintenir constant le niveau N d'une citerne. L'alimentation de la citerne se fait par l'intermédiaire d'une vanne VE actionnée par un vérin hydraulique et telle que la dérivée du débit DE à la sortie de la vanne VE est proportionnelle au déplacement x (sans vérin, avec une commande directe, la position du clapet de la vanne serait directement commandée par le déplacement de A ; comme la vanne est supposée "linéaire", on obtiendrait un débit DE directement proportionnel à x). La vanne de sortie VS est également supposée linéaire, mais on considérera la position de son clapet fixée et par conséquent le débit de sortie DS est proportionnel à la hauteur du liquide dans la citerne. L'affichage du niveau désiré se fait au moyen d'un index qui permet de faire varier la position verticale du point I. Etablir le schéma fonctionnel de cette régulation. Examiner le comportement de cette régulation lorsqu'un objet tombe dans la citerne (perturbation). IV / REGULATION DE TEMPERATURE Ue A a Us D Moteur Air chaud R Débit Q R QR Ce système a pour but la régulation de la température d'une enceinte située dans un milieu de température a et chauffée par un radiateur R alimenté en air chaud à la température constante R. D est un dispositif qui mesure la température et délivre une tension proportionnelle à (par exemple un thermocouple). La température désirée est affichée au moyen d'un potentiomètre. L'alimentation en air chaud est commandée par une vanne actionnée par un moteur, le débit d'air Q est proportionnel à l'ouverture de la vanne (position du clapet). Pour les échanges thermiques on considérera que l'on a à faire à de petites variations de température et qu'en conséquence les phénomènes sont linéaires. Montrer que cette régulation permet, entre autres, de compenser des perturbations dues à la température extérieure a ou à la température de l'air d'alimentation. V / ASSERVISSEMENT DU SYSTEME DE FOCALISATION D'UN FAISCEAU LASER POUR L'ENREGISTREMENT DE VIDEO DISQUE L'enregistrement sur vidéo disque nécessite de focaliser de manière très précise (à 0,1 m) un faisceau laser sur le disque à enregistrer. Cette focalisation est réalisée grâce à un système optique approprié, et pour tenir compte des imperfections du disque et de sa surface, on est amené à asservir la position de la lentille d'enregistrement (notée L2 sur le schéma ci-dessus). Le schéma ne représente que la partie optique du système de focalisation. En effet, les lentilles L1 et L2, les lames B1 et B2, le miroir, le trou d'ouverture A et la photodiode sont solidaires d'un plateau noté "Q-XY plate" dont la position est asservie un moteur. Ce dernier est lui même piloté par la photodiode P à travers un amplificateur de gain G. La distance nominale d0 entre la lentille L2 et la surface du disque D est choisie par le constructeur en fixant la distance entre la lentille L1 et la position au repos de la lentille L2. Lorsque la surface de D est à la distance d0 de L2, la focalisation du faisceau s'effectue exactement à la surface de D. Le faisceau renvoyé est réfléchi sur la lame B1, puis séparé en deux faisceaux d'intensité deux fois plus faible. Le réglage du trou d'ouverture A permet aux faisceaux d'être intégralement transmis sur les deux parties de la photodiode qui reçoivent donc des intensités égales. La différence de voltage en sortie est alors nulle. Si la distance d entre la surface D et la lentille L2 s'écarte de d0, alors la focalisation du faisceau se fait avant ou après D. La largeur du faisceau réfléchi par B1 est alors modifiée, ce qui va changer la largeur des faisceaux sortant de B2. Ainsi, après passage par le trou A, l'intensité des faisceaux arrivants sur la photodiode va être déséquilibrée et une tension positive ou négative en sortie de la photodiode va apparaître. Montrer que cet asservissement permet de compenser les imperfections de la surface du disque D. VI / PROCEDE D’EVAPORATION On désire produire un polymère par polycondensation. A cet effet, plusieurs étapes doivent être réalisées avant d’effectuer la réaction proprement dite dans l’unité de cristallisation. Le produit P destiné à être polymérisé est conservé à basse température dans une unité de réfrigération, puis envoyé dans une unité d’évaporation où il est mélangé avec des adjuvants. Comme les réactions chimiques sont exothermiques, pour éviter un échauffement trop important qui dégraderait le produit, l’échangeur est destiné à extraire la chaleur produite. L’évaporateur est donc constitué de deux circuits, dont l’un contient le produit P et l’autre un fluide froid refroidissant le produit P par un échangeur de chaleur. Dans le circuit du produit P, la réaction chimique génère de la vapeur qu’il faut évacuer. Enfin, les adjuvants sont injectés dans l’évaporateur. Analyser le schéma TI (« Tuyauterie – Instrumentation ») de l’installation, repérer les différents capteurs, actionneurs, et boucles de régulation et décrire les schémas fonctionnels correspondants. Proposer des améliorations possibles pour les régulations existantes. Vous trouverez ci-dessous une description des normes utilisées dans les schémas TI. Les actionneurs On distingue différents types d’actionneurs, dont les plus courants sont décrits dans le tableau 1. Libellé Symbole Exemple Fonctionnement progressif Fonctionnement par tout ou rien pneumatique ou hydraulique Fonctionnement progressif ou tout ou rien par moteur électrique M Fonctionnement à ressort (soupape de sécurité) Tableau 1- Actionneurs Les organes de mesure La représentation graphique d’un organe de mesure est donnée figure 1. La nomenclature des lettres de codification est donnée ensuite. Fonction alarme / asservissement / sécurité Fonctions d’utilisation de la variable Complément à la variable mesurée (éventuellement) Variable mesurée F F IC AYS 1 2 3 4 5 (6) Numéro de poste (nombre entier, maxi 6 chiffres) O S A Y HHH HH H L G D U OV Type et niveau du seuil sur la mesure (3 caractères maxi) Rôle du seuil (1 caractère) - O : sécurité opérateur - S : sécurité - A : alarme opérateur - Y : asservissement Figure 1: Organes de mesure Sur le schéma de l'unité de polymérisation, on trouve 6 organes de mesures. Par exemple, l’organe PIC 14003 a la signification suivante : P : la variable mesurée est la pression. IC : les fonctions d’utilisation sont l’indication (I) et la régulation (C) de la pression. XH (à l’extérieur du cercle) : seuil impliquant une action automatique (X) dans le cas d’un niveau haut (H) pour la pression. Nomenclature de codification I : la variable mesurée est une intensité électrique F : la variable mesurée est un débit. T : la variable mesurée est la température. L : la variable mesurée est le niveau. S : la variable mesurée est une vitesse linéaire ou de rotation. W : la variable mesurée est une force ou une masse. Z : la variable mesurée est une position ou une dimension. Les organes commandés La représentation graphique d’un organe commandé est donnée figure 2. Elle est similaire à celle des organes de mesure, mais la nomenclature des lettres de codification est différente. Celle-ci est donnée dans ce qui suit. La caractéristique d’un organe commandé est que la dernière lettre de son repère alphabétique est M, V ou Z. Organe commandé Fonctions de commande de l’organe O H X Y V 1 2 3 4 5 (6) C Numéro de poste (nombre entier, maxi 6 chiffres) Détection de position Figure 2: Organe commandé Sur le schéma de l'unité de polymérisation, on trouve un organe commandé. L’organe HXYM14040 associé à la pompe P14040, a la signification suivante : HXY : les fonctions de l’organe sont la commande manuelle (H), l’automatisme (X) et l’asservissement (Y) de la pompe. M : l’actionneur de la pompe est un moteur. Nomenclature de codification V : l'actionneur est une vanne ou un vérin ou un volet d'aération. Z : autre actionneur.
