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Ingénierie de contrôle

Les systèmes de contrôle jouent un rôle essentiel dans les vols spatiaux . Le contrôle des colonnes de fractionnement est l'une des applications les plus complexes. Les premiers...

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Les premiers systèmes de contrôle automatique ont été développés il y a plus de deux mille ans. Le premier dispositif de contrôle à rétroaction connu serait l' horloge à eau de Ctésibios , à Alexandrie , en Égypte, datant du IIIe siècle avant notre ère. Elle fonctionnait en régulant le niveau d'eau dans un récipient et, par conséquent, le débit d'eau. Ce dispositif s'avéra certainement efficace, puisque des horloges à eau de conception similaire étaient encore fabriquées à Bagdad lorsque les Mongols s'emparèrent de la ville en 1258. Au fil des siècles, divers dispositifs automatiques ont été utilisés pour accomplir des tâches utiles ou simplement pour divertir. Parmi ces derniers figurent les automates, populaires en Europe aux XVIIe et XVIIIe siècles, composés de figures dansantes répétant inlassablement la même action ; ces automates sont des exemples de contrôle en boucle ouverte. Parmi les jalons des dispositifs de rétroaction ou de contrôle automatique « en boucle fermée », on peut citer le régulateur de température d'un four attribué à Drebbel , vers 1620, et le régulateur à boules centrifuges utilisé pour réguler la vitesse des machines à vapeur par James Watt en 1788.

Dans son article de 1868 intitulé « Sur les régulateurs », James Clerk Maxwell a expliqué les instabilités du régulateur à boulet en utilisant des équations différentielles pour décrire le système de contrôle. Ceci a démontré l'importance et l'utilité des modèles et méthodes mathématiques pour comprendre les phénomènes complexes, et a marqué le début de la théorie mathématique du contrôle et des systèmes. Des éléments de la théorie du contrôle étaient déjà apparus auparavant, mais jamais de manière aussi spectaculaire et convaincante que dans l'analyse de Maxwell.

La théorie du contrôle a connu des progrès considérables au cours du siècle suivant. De nouvelles techniques mathématiques, ainsi que les avancées des technologies électroniques et informatiques, ont permis de contrôler des systèmes dynamiques bien plus complexes que ceux que pouvait stabiliser le régulateur à boules d'origine. Parmi ces nouvelles techniques mathématiques, on peut citer les développements en matière de contrôle optimal dans les années 1950 et 1960, suivis par les progrès des méthodes de contrôle stochastique, robuste, adaptatif et non linéaire dans les années 1970 et 1980. Les applications de la méthodologie du contrôle ont contribué à rendre possibles les voyages spatiaux et les satellites de communication, des avions plus sûrs et plus efficaces, des moteurs automobiles plus propres et des procédés chimiques plus propres et plus efficaces.

Avant de devenir une discipline à part entière, l'automatique était pratiquée au sein du génie mécanique , tandis que la théorie de l'automatique était étudiée dans le domaine du génie électrique , les circuits électriques pouvant souvent être facilement décrits à l'aide des techniques de la théorie de l'automatique. Dans les premières relations de commande, un courant de sortie était représenté par une tension d'entrée. Cependant, faute de technologies adéquates pour la mise en œuvre de systèmes de commande électriques, les concepteurs devaient se contenter de systèmes mécaniques moins efficaces et plus lents à réagir. Le régulateur de pression est un exemple de contrôleur mécanique très efficace, encore largement utilisé dans certaines centrales hydroélectriques . Plus tard, avant l'avènement de l'électronique de puissance moderne , les systèmes de contrôle de processus pour applications industrielles étaient conçus par des ingénieurs mécaniciens à l'aide de dispositifs de commande pneumatiques et hydrauliques , dont beaucoup sont encore utilisés aujourd'hui.

Modélisation mathématique

David Quinn Mayne (1930-2024) fut l'un des pionniers d'une méthode mathématique rigoureuse d'analyse des algorithmes de commande prédictive (MPC). Cette méthode est actuellement utilisée dans des dizaines de milliers d'applications et constitue un élément central des technologies de commande avancées pour des centaines de fabricants de systèmes de contrôle de procédés. Le principal atout de la MPC réside dans sa capacité à traiter les non-linéarités et les contraintes fortes de manière simple et intuitive. Ses travaux sous-tendent une classe d'algorithmes probablement corrects, explicables heuristiquement et permettant de concevoir des systèmes de commande répondant à des objectifs pratiques importants.

Systèmes de contrôle

Le régulateur centrifuge est un des premiers mécanismes de régulation proportionnelle .

Un système de contrôle gère, commande, dirige ou régule le comportement d'autres dispositifs ou systèmes au moyen de boucles de régulation . Il peut s'agir d'un simple régulateur de chauffage domestique utilisant un thermostat pour contrôler une chaudière, ou de grands systèmes de contrôle industriels servant à piloter des processus ou des machines. La conception des systèmes de contrôle repose sur une démarche d'ingénierie des systèmes de contrôle.

Pour la régulation à modulation continue, un régulateur à rétroaction est utilisé pour contrôler automatiquement un processus ou une opération. Le système de contrôle compare la valeur ou l'état de la variable de processus (PV) à contrôler avec la valeur souhaitée ou consigne (SP), et utilise la différence comme signal de commande pour amener la sortie de la variable de processus de l' installation à la même valeur que la consigne.

Pour la logique séquentielle et combinatoire , on utilise une logique logicielle , comme celle d'un automate programmable .

théorie du contrôle

La théorie du contrôle est un domaine de l'ingénierie du contrôle et des mathématiques appliquées qui traite du contrôle des systèmes dynamiques . Son objectif est d'élaborer un modèle ou un algorithme régissant l'application des entrées du système afin de le conduire vers un état désiré, tout en minimisant les retards , les dépassements et les erreurs en régime permanent , et en assurant un certain niveau de stabilité du contrôle ; souvent dans le but d'atteindre un degré d' optimalité .

Pour ce faire, un contrôleur doté du comportement correctif requis est nécessaire. Ce contrôleur surveille la variable de procédé contrôlée (PV) et la compare à la consigne ( SP). L'écart entre la valeur réelle et la valeur souhaitée de la variable de procédé, appelé signal d'erreur ou erreur SP-PV, est utilisé comme rétroaction pour générer une action de contrôle visant à ramener la variable de procédé contrôlée à la valeur de consigne. La contrôlabilité et l'observabilité sont également des aspects étudiés . La théorie du contrôle est utilisée en ingénierie des systèmes de contrôle pour concevoir des systèmes d'automatisation qui ont révolutionné la production, l'aéronautique, les communications et d'autres industries, et ont donné naissance à de nouveaux domaines tels que la robotique .

On utilise généralement un style de représentation schématique appelé diagramme fonctionnel . Dans ce diagramme, la fonction de transfert , également appelée fonction système ou fonction réseau, est un modèle mathématique de la relation entre l'entrée et la sortie, basé sur les équations différentielles décrivant le système.

La théorie du contrôle remonte au XIXe siècle, lorsque James Clerk Maxwell a décrit pour la première fois les fondements théoriques du fonctionnement des régulateurs . Elle a ensuite été développée par Edward Routh en 1874, Charles Sturm et, en 1895, Adolf Hurwitz , qui ont tous contribué à l'établissement de critères de stabilité du contrôle ; puis, à partir de 1922, par Nicolas Minorsky , qui a développé la théorie du contrôle PID . Bien que l'application la plus directe de la théorie mathématique du contrôle soit son utilisation en ingénierie des systèmes de contrôle (notamment pour les systèmes de contrôle de processus en robotique et dans l'industrie), elle est couramment appliquée à des problèmes relevant des sciences naturelles et comportementales . En tant que théorie générale des systèmes à rétroaction, la théorie du contrôle est utile dès lors qu'une rétroaction intervient, ce qui la rend importante dans des domaines tels que l'économie , la recherche opérationnelle et les sciences de la vie .

Éducation

Dans de nombreuses universités à travers le monde, les cours d'automatique sont principalement dispensés en génie électrique et en génie mécanique , mais certains cours peuvent également être proposés en 9 ] génie aérospatial . Ailleurs, l'automatique est liée à l'informatique , car la plupart des techniques de contrôle actuelles sont mises en œuvre par ordinateur, souvent sous forme de systèmes embarqués (comme dans le secteur automobile). En génie chimique, le domaine du contrôle est souvent désigné sous le nom de contrôle des procédés . Il traite principalement du contrôle des variables d'un procédé chimique au sein d'une usine. Il est enseigné dans le cadre du cursus de premier cycle de tout programme de génie chimique et utilise bon nombre des mêmes principes que l'automatique. D'autres disciplines de l'ingénierie recoupent également l'automatique, car celle-ci peut s'appliquer à tout système pour lequel un modèle approprié peut être établi. Cependant, il existe des départements spécialisés en ingénierie de contrôle, par exemple, en Italie, il existe plusieurs masters en automatisation et robotique entièrement spécialisés en ingénierie de contrôle ou le département de contrôle automatique et d'ingénierie des systèmes de l'université de Sheffield ou le département de robotique et d'ingénierie de contrôle de l'Académie navale des États-Unis et le département d'ingénierie de contrôle et d'automatisation de l'université technique d'Istanbul.

L'automatique trouve des applications diversifiées dans les sciences, la gestion financière et même le comportement humain. Les étudiants en automatique peuvent débuter par un cours d'automatique linéaire portant sur les domaines temporel et complexe, qui exige de solides connaissances en mathématiques élémentaires et en transformée de Laplace , constituant ainsi la théorie classique de l'automatique. En automatique linéaire, l'étudiant effectue des analyses dans les domaines fréquentiel et temporel. Les cours d'automatique numérique et d'automatique non linéaire requièrent respectivement la transformation en Z et l'algèbre, et permettent de compléter une formation de base en automatique.

Carrières

La carrière d'un ingénieur en automatique débute par une licence et peut se poursuivre au cours d'études supérieures. Ce diplôme est généralement associé à une spécialisation en génie électrique ou mécanique, mais peut également être combiné à un diplôme en génie chimique. D'après une enquête menée par la revue Control Engineering , la plupart des répondants étaient des ingénieurs en automatique exerçant diverses fonctions dans ce domaine.

Il existe peu de carrières classées comme « ingénieur en automatique », la plupart étant des carrières spécifiques n'ayant qu'un faible lien avec le domaine plus vaste de l'ingénierie des systèmes de contrôle. La majorité des ingénieurs en automatique ayant participé à l'enquête de 2019 sont des concepteurs de systèmes ou de produits, voire des ingénieurs en contrôle ou en instrumentation. La plupart des emplois concernent l'ingénierie des procédés, la production ou même la maintenance ; il s'agit de variantes de l'ingénierie des systèmes de contrôle.

De ce fait, de nombreuses opportunités d'emploi existent dans les secteurs de l'aérospatiale, de la fabrication, de l'automobile, de l'énergie, de la chimie, du pétrole et au sein des agences gouvernementales. Parmi les employeurs d'ingénieurs en contrôle figurent des entreprises telles que Rockwell Automation, la NASA, Ford, Philips 66, Eastman et Goodrich. Un ingénieur en contrôle peut gagner jusqu'à 66 000 $ par an chez Lockheed Martin Corp. et jusqu'à 96 000 $ par an chez General Motors Corporation. Les ingénieurs en contrôle des procédés, que l'on trouve généralement dans les raffineries et les usines de chimie de spécialité, peuvent gagner plus de 80 000 $ par an.

En Inde, la formation en ingénierie des systèmes de contrôle est proposée à différents niveaux : diplôme, licence et master. Ces programmes exigent des candidats qu’ils aient choisi la physique, la chimie et les mathématiques au cours de leurs études secondaires ou qu’ils soient titulaires d’une licence pertinente pour les études de master.

progrès récents

À l'origine, l'automatique concernait exclusivement les systèmes continus. Le développement des outils de commande informatisés a nécessité l'intégration de l'automatique discrète, car les communications entre le contrôleur numérique et le système physique sont rythmées par l' de l'ordinateur ] L'équivalent de la transformée de Laplace dans le domaine discret est la transformée en Z. Aujourd'hui, de nombreux systèmes de commande sont informatisés et comportent des composants à la fois numériques et analogiques.

Par conséquent, au stade de la conception, soit :

Les composants numériques sont transposés dans le domaine continu et la conception est réalisée dans ce domaine continu, ou
Les composants analogiques sont convertis en éléments discrets et la conception est réalisée à ce niveau.

La première de ces deux méthodes est la plus courante en pratique car de nombreux systèmes industriels comportent de nombreux composants de systèmes continus, notamment des composants mécaniques, fluidiques, biologiques et électriques analogiques, avec quelques contrôleurs numériques.

De même, les techniques de conception ont évolué, passant de la conception manuelle sur papier à la conception assistée par ordinateur (CAO) , puis à la conception automatisée par ordinateur (CAO), rendue possible par le calcul évolutionnaire . La CAO peut être appliquée non seulement au réglage d'un schéma de commande prédéfini, mais aussi à l'optimisation de la structure du contrôleur, à l'identification du système et à l'invention de nouveaux systèmes de commande, en fonction uniquement d'une exigence de performance, indépendamment de tout schéma de commande spécifique.

Les systèmes de contrôle résilients étendent l'objectif traditionnel de ne traiter que les perturbations planifiées aux cadres et tentent de traiter plusieurs types de perturbations inattendues ; en particulier, en adaptant et en transformant les comportements du système de contrôle en réponse à des acteurs malveillants, à des modes de défaillance anormaux, à des actions humaines indésirables, etc.