Les systèmes de commande

Expliquer ce qu'est un système de commande à l'aide de la porte automatique du supermarché : ce qu'elle détecte, ce qu'elle décide et ce qu'elle fait, et pourquoi on dit qu'elle fonctionne « sans que personne n'actionne un interrupteur ».

Tout système de commande comporte trois parties : des entrées, une unité de commande et des sorties. Expliquer le rôle de chacune et donner un exemple des trois dans un ventilateur avec télécommande.

La figure montre la chaîne générale d'un système de commande, dont le maillon central est masqué.

Nommer le maillon manquant, expliquer ce qu'il fait des informations qui lui parviennent des entrées et décrire un système de commande complet de la vie quotidienne en identifiant ses trois parties.

Indiquer quelle grandeur mesure chacun de ces capteurs d'entrée : un détecteur de mouvement, une LDR, un thermomètre et un bouton-poussoir, et nommer un appareil de la maison qui utilise chacun d'eux.

Indiquer ce que fait chacun de ces actionneurs de sortie : un moteur, une lampe, un buzzer et l'électroaimant d'une serrure, et décrire une situation dans laquelle un même système a besoin de deux d'entre eux en même temps.

Comparer un robinet que l'on ouvre et ferme à la main avec le thermostat du chauffage. Expliquer lequel des deux vérifie le résultat de son action (si la maison est déjà chaude) et ce que signifie que ce système « se corrige tout seul ».

La figure montre deux schémas fonctionnels (diagrammes de blocs) de systèmes de commande, A et B. Un seul d'entre eux renvoie l'information de la sortie vers l'entrée. Dans le type B, le cercle est un point qui compare l'entrée avec ce qui arrive par le chemin marqué ?.

1. a) Dire lequel des deux systèmes est en boucle ouverte et lequel en boucle fermée.

1. b) Nommer ce qui circule sur le chemin marqué ?.

1. c) Donner un exemple de la vie courante pour chaque type de boucle.

Dire si ces affirmations sont vraies ou fausses et justifier chaque réponse : (a) un feu tricolore qui change uniquement en fonction du temps est un système en boucle fermée ; (b) le lave-linge mesure l'eau et la température, il a donc une rétroaction ; (c) dans une boucle fermée, le système vérifie ce qu'il a obtenu ; (d) un ventilateur sans capteur corrige tout seul la température de la pièce.

La figure montre le schéma fonctionnel de la régulation de la température d'une maison.

L'élément masqué compare ce que l'on veut avec ce qui existe. Expliquer quelles deux données il compare, quel ordre il envoie à la chaudière quand la maison est à $19\celsius$ et quand elle est à $23\celsius$, et pourquoi ce système est en boucle fermée.

Un feu tricolore classique change en fonction du temps, sans savoir si des voitures attendent. Expliquer pourquoi c'est un système en boucle ouverte, ce qui se passe lors d'un embouteillage ou en pleine nuit, et quels capteurs ajouter pour s'approcher d'une boucle fermée, en décrivant le changement de comportement.

Classer ces quatre appareils en boucle ouverte ou boucle fermée et justifier chacun : un grille-pain à minuterie, un fer à repasser avec thermostat, un ventilateur qu'une personne allume et un climatiseur avec température réglée.

Analyser le lave-linge comme un système de commande : citer deux entrées (niveau d'eau, température, temps), l'unité de commande (son programme) et deux sorties (moteur du tambour, résistance, électrovanne). Expliquer pourquoi c'est un système en boucle fermée même si on ne le voit pas « réfléchir ».

Dessiner (en décrivant bloc par bloc) le schéma d'une porte de garage automatique : quelle entrée l'active (télécommande ou capteur), ce que fait l'unité de commande, quelle sortie déplace la porte et quel capteur de sécurité empêche la fermeture s'il y a quelque chose dessous. Est-ce une boucle ouverte ou fermée pour chacune de ses deux fonctions ?

Vous pouvez le faire sur papier et envoyer une photo de votre réponse.

Défi du thème. Quand tu règles la température de la douche, tu fonctionnes toi-même comme une boucle de régulation. Analyser ce processus et répondre :

1. a) Identifier le capteur : quelle partie de ton corps détecte la température de l'eau.

1. b) Identifier la consigne : quelle valeur ou référence tu veux obtenir.

1. c) Identifier l'actionneur : quelle partie de ton corps modifie l'eau qui sort.

1. d) Identifier la rétroaction : que fais-tu après avoir agi pour vérifier le résultat et décider si tu dois corriger de nouveau.

1. e) Expliquer ce qui se passe quand quelqu'un ouvre un autre robinet de la maison pendant que tu te douches (par exemple, la température ou le débit de l'eau change) et comment la boucle de régulation réagit pour corriger cela.

Seront évalués : l'identification correcte de chaque élément de la boucle, le lien que tu fais avec la douche et, dans la question e), l'explication de la perturbation et de la correction que tu effectues.

Dans une sonnette de maison, le bouton-poussoir et la cloche jouent des rôles différents. Classer chacun comme entrée ou sortie, expliquer pourquoi la sonnette n'est pas un système avec rétroaction et ce qui en ferait un (par exemple, une lumière qui confirme au visiteur que la sonnerie a retenti).

Les automatismes apportent sécurité, confort et économies. Donner un exemple réel de chaque avantage (une barrière qui s'ouvre toute seule, l'éclairage automatique d'escalier, l'arrosage goutte à goutte programmé) et expliquer, pour l'un d'eux, ce qui se passerait si le système tombait en panne au pire moment.

Un agriculteur affirme : « J'ai programmé une minuterie pour que les arroseurs fonctionnent tous les jours à 7 h 00 pendant 20 minutes ; comme il fonctionne de façon autonome sans que j'intervienne, c'est un système automatique en boucle fermée parfait ».

1. a) Réfuter son affirmation en expliquant pourquoi son système est en réalité en boucle ouverte et quels deux problèmes graves d'efficacité hydrique ou de santé des plantes il provoquera au cours de l'année.
2. b) Concevoir à nouveau le système pour en faire un système en boucle fermée : dessiner le schéma fonctionnel en identifiant clairement la consigne, le signal mesuré, le capteur nécessaire, le régulateur, l'actionneur et le processus.
3. c) Prévoir et justifier comment chacun des deux systèmes réagira si un orage imprévu de 30 l/m² éclate juste à 6 h 55.

Dans une copropriété, l'éclairage de l'escalier est commandé par une minuterie : lorsqu'on appuie sur un bouton à n'importe quel étage, les lumières restent allumées exactement 90 secondes.

1. a) Justifier, à partir de la théorie des systèmes de commande, pourquoi cette minuterie agit en boucle ouverte et pourquoi elle est inefficace face à des situations réelles opposées (un voisin qui met 3 minutes à monter avec des sacs lourds contre un autre qui descend en 15 secondes).
2. b) Concevoir une solution avec rétroaction qui résolve les deux problèmes. Préciser quel capteur ou quelle combinaison de capteurs tu emploierais, à quels endroits stratégiques tu les placerais pour éviter les « zones aveugles » et quelle serait la logique d'extinction.
3. c) Prévoir quelle défaillance pourrait connaître ta solution si une personne reste totalement immobile sur le palier à chercher ses clés dans le noir, et proposer comment tu programmerais le régulateur pour éviter qu'elle se retrouve sans lumière.

La brochure commerciale d'un thermostat programmable numérique affirme : « Remplacez votre ancien thermostat analogique à molette par ce modèle programmable : grâce à la programmation horaire et hebdomadaire, votre chaudière passera d'un système en boucle ouverte à un système en boucle fermée, avec jusqu'à 30 % d'économies ».

1. a) Évaluer de manière critique l'affirmation technique de la brochure : est-il vrai qu'un thermostat classique à molette fonctionne en boucle ouverte ? Justifier si le changement d'appareil modifie la topologie de la boucle ou s'il ajoute seulement de nouvelles variables à la consigne.
2. b) Dessiner le schéma fonctionnel du système avec thermostat programmable, en indiquant toutes les entrées que traite l'unité de commande (physiques et de programmation), le comparateur, l'actionneur et la rétroaction.
3. c) Justifier en détail par quel mécanisme de régulation le thermostat programmable parvient à réduire la consommation d'énergie lors d'une journée où le logement reste vide de 8 h 00 à 17 h 00.

Sur une avenue, on a installé un feu piéton avec bouton d'appel. Un élève de technologie soutient : « Comme le feu a un bouton par lequel il reçoit une information de l'environnement pour passer au rouge, c'est un système en boucle fermée ».

1. a) Réfuter de façon justifiée l'affirmation de l'élève : expliquer la différence fondamentale entre un « signal externe d'activation » et un « signal de rétroaction » à ce carrefour.
2. b) Dessiner le schéma fonctionnel du feu actuel en identifiant l'entrée, le régulateur et les sorties (lumineuses comme sonores).
3. c) Concevoir une modification technique qui transforme le passage en véritable système en boucle fermée, capable d'adapter la durée de la phase verte piétonne à la vitesse réelle des personnes qui traversent (par exemple, personnes âgées ou en fauteuil roulant). Quel capteur ajouterais-tu, que mesurerait-il et comment la temporisation varierait-elle ?

On te charge de concevoir la logique du système de commande qui régule un carrefour entre deux rues perpendiculaires (rue A et rue B), chacune avec son feu.

1. a) Modéliser le carrefour comme un unique système de commande multivariable : expliquer pourquoi il n'est pas admissible de programmer deux feux indépendants avec des temporisateurs découplés et quelle condition logique de verrouillage mutuel doit être imposée entre les sorties.
2. b) Supposer qu'un capteur de courant détecte que la lampe rouge de la rue A a grillé. Analyser le risque que cela représente et indiquer quel protocole immédiat l'unité de commande doit exécuter dans les deux rues.
3. c) Justifier techniquement si, en cas de défaillance grave de l'unité de commande, il est plus sûr que le circuit matériel passe à l'orange clignotant dans toutes les directions ou au rouge fixe dans toutes les directions, en tenant compte de la fluidité du trafic et du code de la route.

Un article de vulgarisation affirme : « Tout dispositif automatique fonctionne en boucle fermée, puisqu'il effectue son travail de manière autonome sans qu'une personne intervienne à chaque cycle ».

1. a) Démontrer la fausseté de cette affirmation en proposant deux exemples d'automatismes du quotidien : l'un fonctionnant en boucle ouverte et l'autre en boucle fermée. Justifier en détail le classement de chacun à partir de la présence ou de l'absence de rétroaction.
2. b) Pour le système en boucle ouverte que tu as proposé, décrire une perturbation externe concrète qui provoque un mauvais fonctionnement ou un gaspillage d'énergie.
3. c) Concevoir les modifications nécessaires (capteurs, grandeur physique à mesurer et nouvelle logique de décision) pour transformer ce système en boucle ouverte en un système en boucle fermée capable de corriger cette perturbation.

Tu dois concevoir le système de régulation bioclimatique d'une serre technologique où sont cultivées des plantes sensibles. L'enceinte doit maintenir une température comprise entre 20 °C et 24 °C et une humidité relative comprise entre 60 % et 70 %.

1. a) Identifier les capteurs nécessaires et les actionneurs à installer pour agir sur l'air et la ventilation de l'enceinte.
2. b) Lors d'un midi d'été chaud et très sec, la température monte à 31 °C et l'humidité tombe à 45 %. Expliquer le conflit de fonctionnement qui apparaît si la boucle de température et la boucle d'humidité agissent de façon découplée et simultanée.
3. c) Concevoir la stratégie de commande (à l'aide d'un algorigramme ou d'un pseudo-code avec des conditions de priorité) que doit exécuter le microcontrôleur pour résoudre ce conflit, en garantissant la survie des plantes.

Un véhicule circule sur l'autoroute avec le régulateur de vitesse réglé à 120 km/h.

1. a) Dessiner le schéma fonctionnel du système en identifiant : consigne, signal d'erreur, régulateur, actionneur, processus, grandeur de sortie, capteur et chemin de rétroaction.
2. b) Analyser la réponse du système quand la voiture aborde de façon imprévue une montée de 7 % : décrire pas à pas comment varie la grandeur mesurée, quel calcul effectue le comparateur et comment l'actionneur réagit pour compenser la perturbation.
3. c) Du point de vue de la sécurité des machines et des systèmes de commande critiques, justifier pourquoi toute pression sur la pédale de frein doit interrompre la consigne instantanément par une interruption physique directe et non par une vérification régulière du programme du microcontrôleur.