Généralités sur l'Automatique

Signaux et systèmes de l'Automatique « L'ESSENCE DES BONNES MACHINES EST DE SE GOUVERNER PAR ELLES-MÊMES,
autant qu'il est possible et sans le secours de l'intelligence humaine »
J.V. Poncelet (1826), extrait du premier ( ?) Cours d'Automatique
(d'après 'Eléments d'Automatique', Faurre, Robin, Dunod)
Définition, principe fondamental et éléments d'historique
1.1 Automatique, Automatisme, Définitions |Définitions de |Ensemble de théories, de techniques, de composant |
|l'Automatique |... utilisées pour rendre les machines autonomes, |
| |indépendantes de l'intervention humaine, afin de |
| |réduire la fréquence et la difficulté des tâches |
| |humaines. |
|Paradoxe : |L'automatique vise donc à la disparition de |
| |l'automaticien, l'automatisation à la disparition de|
| |l'ouvrier de la chaîne de production. Qu'en pensez |
| |vous ? Et pour l'informatique et l'informaticien ? |
|Mots apparentés : |Automatisme , automatisation, automation, automate, |
| |robot, contrôle, asservissement, régulation, |
| |cybernétique, informatique[1] ( ! ), ... |
| |On pourra chercher la définition, les tenants et |
| |aboutissants des termes précédents avec le Web, |
| |l'Encyclopédia Universalis, ou la bibliothèque ... |
|Automatique et |EN PLUS DU TRAITEMENT DE L'INFORMATION, LES |
|Ordinateurs |ORDINATEURS SONT IMPLIQUÉS DE PLUSIEURS FAÇONS DANS|
| |L'AUTOMATISATION : |
| |automatisme de séquence, automate programmable, |
| |asservissements échantillonnés utilisant un |
| |calculateur pour calculer et appliquer la loi |
| |commande, |
| |simulation numérique, optimisation, auto adaptation |
|Les domaines |Tous ceux de la vie courante, dans l'environnement |
|touchés par |ménager, du milieu industriel, scientifique, |
|l'Automatique sont|technique, mais également le contrôle du trafic, les|
|innombrables ... |études de population, d'halieutique, finance et |
| |économie, ... cela défie l'énumération et peut faire|
| |aussi l'objet d'une recherche documentaire : |
| |... métallurgie, visée, guidage, pilotage, |
| |machine-outil et servomécanisme, chimie, robotique, |
| |électronique, informatique, hifi, train, avionique, |
| |espace, marine, nucléaire, militaire, domotique, |
| |électroménager ... |
| | |
2 Principe fondamental de contre réaction (rétroaction, feedback) |Analogies dont |De nombreux exemples physiques, biologiques, |
|s'inspire |écologiques économi-ques, ... existent, où la |
|l'Automatique |compétition de deux influences antagonistes aboutit |
| |à la stabilisation d'une grandeur (position, |
| |vitesse, niveau, homéothermie, population, inflation|
| |...) |
| |Un exemple physique courant est celui du ressort, |
| |qui développe une for-ce proportionnelle à l'écart à|
| |la position d'équilibre pour y revenir. |
| |L'exemple de l'activité de contrôle humaine est |
| |aussi une riche source d'inspiration et d'analogie |
| |pour les automaticiens : |
| |commande manuelle, pilotage, apprentissage, |
| |anticipation, prise de décision, génération et |
| |application de plans, optimisation de compromis |
|C'est ce principe |UN AUTOMATISME EST UN SYSTÈME BOUCLE (SAUF CAS |
|d'antagonisme que |BOUCLE OUVERTE). |
|les automatismes |Il met en scène un équilibre entre l'action sur les|
|essayent de |sorties d'un processus physique et une contre |
|reproduire |réaction des sorties sur les entrées du processus. |
| |Le calcul de la contre réaction selon la loi de |
| |commande s'appuie sur un modèle mathématique du |
| |processus, ensemble de règles, d'é-quations |
| |(algébriques, différentielles, récurrentes, |
| |logiques, déterministes, ...) obtenues |
| |analytiquement (mise en équation) ou |
| |expérimentale-ment (par identification). |
| |A l'aide de la contre réaction, on compense les |
| |perturbations, entrées imprévues dans le déroulement|
| |des opérations, on corrige les erreurs de modèle, on|
| |corrige les performances statiques et dynamiques du |
| |processus |
|boucle ouverte et |Pour tirer un obus sur une cible, l'artilleur |
|boucle fermée |effectue un calcul balistique utilisant la distance |
| |de la cible et déduit le réglage du canon. Si ces |
| |données sont erronées, ou variables, il devra |
| |rectifier son tir à partir du résultat observé. |
| |Un missile autoguidé rectifiera de lui même les |
| |incertitudes et les perturbations (non excessives) |
| |s'il est capable d'acquérir et d'utiliser une mesure|
| |de la position et de la vitesse de la cible quand |
| |il atteint un certain voisinage |
| | |
Deux exemples précurseurs de la contre réaction . La clepsydre (cf. ci-dessous, d'après[2]) du mécanicien grec
Ktesibios (IIIème siècle avant J.C.) perfectionnée par les arabes au
IXème siècle, utilise ce principe afin de construire un système
régulant le débit de fuite dans une cuve et capable de limiter
précisément le temps de parole des orateurs (trop bavards ?) ou des
avocats sur l'agora. En fait, les égyptiens, et les amérindiens
connaissaient ce principe d'horloge hydraulique. . Le régulateur à boules de Watt schématisé ci-après2 est l'un des
multiples mécanismes ingénieux développés au 18ème siècle durant la
révolution industrielle. Il s'agit de stabiliser la vitesse de
rotation du moteur à vapeur, en régulant la pression de la vapeur
dans la chaudière. Sinon, ce processus est instable. C'est donc une
application du principe de contre réaction, et Watt est présenté par
les anglo-saxons comme le père des automatismes.
4 Eléments d'historique [3] (quelques noms et dates) . Clepsydre, minutier à eau des grecs (-250 av. J.C.)., égyptiens,
amérindiens ..
. Horloges à poids et leur mécanisme régulateur (foliot, échappement),
14ème siècle
. Baille blé des moulins au 16ème siècle
. Régulateur[4] à boules de James Watt, 1767, pour la machine à vapeur.
. Pilote automatique de navires au 19ème siècle, « On governors » (sur
les gouvernails), de Maxwell, 1868 , ou « Servomoteurs[5] pour le
gouvernail des navires garde-côtes » , Farcot, 1868.
. Mathématisation au 19ème : transformée de Laplace (selon une idée
d'Euler) des équations différentielles dues à Leibniz, Newton ...
. J.B. Fourier ouvre la voie de l'analyse et du traitement du signal en
cherchant à résoudre l'équation de propagation de la chaleur.
. Dans l'entre deux guerres, l'électronique à tubes et la TSF
nécessitent les amplificateurs à contre réaction. Vers1930, Bode,
Black, Nyquist étudient réponse harmonique, gain, bande passante ...
. Avec la 2ième guerre mondiale ... la théorie classique de la commande
se développe, pour les systèmes d'armes...
. Claude E. Shannon publie sa « Théorie Mathématique de l'Information »
en 1949,
. Norbert Wiener publie «Cybernetics and communication in machine and
animal » (1948) .
. Naissance des ordinateurs, années 50, suite des métiers à tisser de
Jacquard et des machines à calculer de Babbage et Pascal, ... John Von
Neumann formalise l'architecture, Alan Turing, l'algorithme ...
. W. Shockley et le transistor (1947)
. Premier ordinateur transistorisé IBM 5070 en 1960.
. Principe d'optimalité de Bellman, (~1957), programmation dynamique,
équation de Riccati,
. Théorie de la stabilité de Alexandre Lyapunov ,
. commande stochastique, filtre estimateur de Kalman, systèmes
autoadaptatifs, robustes, plats, ...
Modèles des Automatismes Les automatismes que vous rencontrerez se différencient de plusieurs
manières qu'il faut savoir repérer, identifier et nommer :
< d'abord, par le niveau hiérarchique (automatisme de réglage, de séquence)
< ensuite par la gestion du temps (temps continu, temps discret, temps
réel)
< encore, par la nature des équations et du comportement , linéarité,
stationnarité, causalité, et la nature des signaux causaux, numériques,
logiques, analogiques, déterministes ou stochastiques
< enfin par la représentation interne ou externe, temporelle ou harmonique,
algébrique ou graphique. 1 Taxonomie des signaux systèmes et représen