Introduction à l’automatique
L’automatique (la régulation) représente une partie du domaine de l’automatisme (encore appelé contrôle commande).
Dans le jargon des spécialistes, le contrôle commande regroupe l’ensemble des dispositifs de contrôle des systèmes à base d’informatique : il comprend donc aussi bien les capteurs (composants ou appareils de mesures) que les actionneurs (vérins, moteurs, vannes…) ou les appareils électroniques de contrôle (pupitres, réseaux industriels, armoires électriques, calculateurs…).
L’automatique correspond à la partie mathématique de ce secteur d’activité : c’est elle qui détermine comment sont calculées les grandeurs qui agissent sur le système à contrôler (par exemple, la vitesse d’un moteur ou l’ouverture d’une vanne), en fonction des mesures effectuées sur ce système et des objectifs fixés par les opérateurs.
La régulation la plus élémentaire est le thermostat (dans un radiateur électrique ou un fer à repasser par exemple). C’est un simple bilame qui allume le chauffage lorsque la température descend en dessous d’un certain seuil (par exemple 18 °C) et qui l’éteint lorsqu’elle remonte au-delà d’un autre seuil (par exemple 20 °C). Dans cet exemple, la grandeur physique à réguler est la température. Le moyen d’action est la puissance de chauffage. La consigne de température est l’objectif que l’on s’est fixé pour la grandeur (ici, 19 °C par exemple).
Ce type de commande est appelée « tout ou rien » : on agit (dans ce cas, on chauffe à fond) ou on ne fait rien. Il permet de résoudre beaucoup de cas simples, mais il est vite limité lorsqu’on cherche à contrôler très précisément une installation industrielle complexe :
- dans l’exemple précédent, la température ne cesse d’osciller entre les deux seuils (18 et 20 °C). Pour limiter cette oscillation, il faudrait rapprocher les seuils (par exemple, 18,9 et 19,1 °C).
- une commande « tout ou rien » sollicite énormément les actionneurs, puisqu’on n’a le choix qu’entre deux choses : ne rien faire ou agir « à fond ». Si c’est acceptable pour une résistance électrique, ça l’est déjà moins pour un vérin hydraulique… Et la sollicitation est d’autant plus éprouvante pour le matériel que les seuils sont proches l’un de l’autre…
Pour pallier à ces problèmes, on utilise des commandes « continues », c’est-à-dire qu’elles peuvent varier doucement à l’intérieur d’une plage de fonctionnement. Par exemple, un moteur électrique peut être alimenté par une tension variant continûment entre 0 et 10 V, une vanne peut être plus ou moins fermée, etc. Le calcul de la commande devient alors un peu plus complexe.
La grande majorité des régulations continues est conçue sous la forme « PID » : proportionnel, intégral, dérivé. On calcule d’abord l’écart de régulation : la différence entre ce que l’on mesure (par exemple la température) et ce que l’on souhaite (la consigne). La grandeur de commande (par exemple la puissance de chauffage) est alors calculée comme la somme de trois termes :
- un terme proportionnel à l’écart de régulation (plus on est loin de l’objectif, plus on applique une commande importante ; au contraire, si la mesure est exactement égale à ce que l’on souhaite, on ne fait plus rien),
- un terme proportionnel à l’intégrale de l’écart de régulation (plus on est loin de l’objectif, plus on fait varier la commande rapidement ; lorsqu’on est pile sur l’objectif, on ne fait plus varier la commande – ce qui ne veut pas dire qu’on ne fait rien),
- un terme proportionnel à la dérivée du signal d’erreur (plus on s’éloigne vite de l’objectif, plus il faut agir pour repartir dans l’autre sens ; au contraire, quand on s’approche de l’objectif, on « lève le pied »).
Il s’agit ici des régulations les plus répandues et les plus simples. Certains systèmes sont très complexes et nécessitent des régulations adaptées. C’est le cas par exemple lorsque des grandeurs sont couplées. Ainsi dans une chaudière de centrale thermique, on dispose de trois moyens d’action (la puissance de chauffe, l’ouverture d’une vanne et l’injection d’eau froide) pour agir sur trois grandeurs physiques (la puissance électrique, la pression dans la chaudière et la température de la vapeur). Mais chacun de ces moyens, pris individuellement, agit simultanément sur les trois grandeurs à contrôler : on parle alors de couplage. Dans un tel cas, il est extrêmement difficile de régler trois régulations PID ensemble, car une modification sur l’une d’entre elles a des répercussions sur les deux autres. On applique alors des techniques plus savantes, basées sur une modélisation du système. On parle alors d’automatique « avancée ».
Les mêmes techniques sont également utilisées dans tous les systèmes électroniques embarqués, chargés de piloter les différents composants de nos véhicules automobiles, ferroviaires, sous-marins ou aériens. Il s’agit alors de réguler la vitesse, la température de l’habitacle, l’anti-patinage, le correcteur de trajectoire, ou pour assister le conducteur dans ses manœuvres (créneaux, freinage d’urgence…).
L’automatique regroupe l’ensemble de ces techniques, ainsi que les outils mathématiques utilisés pour les comprendre et les mettre en œuvre.
Patrice HOUIZOT, 2002