Exercices: Capteurs, contrôleurs et actionneurs

Nommer les trois éléments de base d'un système de contrôle et expliquer ce que fait chacun en prenant l'exemple du thermostat d'un chauffage.

Classer ces composants en capteurs, actionneurs et contrôleur : un capteur de lumière (LDR), un moteur, un buzzer, une carte microcontrôleur, un bouton-poussoir et un servomoteur. Justifier chaque classement par ce que fait le composant.

La figure montre la chaîne d'un système de contrôle, mais il manque le bloc central. Indiquer de quel bloc il s'agit, ce qu'il fait, et écrire la chaîne complète (avec des exemples concrets pour chaque bloc) pour une porte de garage automatique.

Classer ces éléments en capteurs ou actionneurs et justifier chaque choix : microphone, haut-parleur, caméra, lampe, détecteur de mouvement et relais qui met en marche un moteur.

Expliquer ce que fait une carte microcontrôleur dans un système de contrôle en utilisant la comparaison avec le « cerveau » : ce qui lui parvient, ce qu'elle en fait et ce qu'elle ordonne.

Choisir un système de contrôle de votre maison (chauffage, lumière d'escalier automatique, détecteur de fumée avec alarme…) et compléter sa chaîne : capteur → contrôleur → actionneur.

Quelle différence y a-t-il entre un capteur de température et un thermostat complet ? Expliquer quels éléments manquent au premier pour être un système de contrôle.

Un système d'arrosage dispose d'un capteur d'humidité de la terre et d'une électrovanne. Quel élément manque pour qu'il fonctionne de manière automatique et quelle règle simple exécuterait-il ?

Un pot de fleurs intelligent arrose la plante quand la terre est sèche. Identifier le capteur, le contrôleur et l'actionneur de ce système et expliquer quelle information passe d'un élément à l'autre.

Un ventilateur ordinaire fonctionne jusqu'à ce qu'on l'éteigne, mais un climatiseur s'arrête et redémarre tout seul pour maintenir la température. Expliquer la différence entre les deux systèmes en utilisant l'idée de rétroaction : lequel mesure de nouveau le résultat de son action ?

Un feu tricolore fonctionne avec des durées fixes, que des voitures passent ou non. Ce système de contrôle a-t-il des capteurs ? Quel capteur lui ajouteriez-vous pour le rendre « intelligent » et qu'est-ce que ce changement améliorerait ?

Un robot suiveur de ligne utilise deux capteurs infrarouges placés de part et d'autre de la ligne. Expliquer quelle information donne chaque capteur et comment la carte de commande décide s'il faut tourner à gauche ou à droite.

Expliquer la différence entre un actionneur « tout ou rien » (par exemple, un relais) et un actionneur proportionnel (par exemple, un servomoteur), et donner un usage adapté pour chaque type.

Un parking compte les voitures avec un capteur à l'entrée et un autre à la sortie. Concevoir la logique du contrôleur pour savoir combien de places restent libres et ce que doit afficher le panneau d'entrée quand le parking est complet.

La figure montre un système de contrôle avec rétroaction, dont le point de comparaison est repéré par ?. Expliquer quelles deux valeurs sont comparées en ce point, quel résultat on obtient et à quoi le contrôleur l'utilise.

Un thermostat mesure $2\ ^\circ\text{C}$ de trop parce qu'il est mal étalonné. Expliquer pourquoi le contrôleur « croit » faire parfaitement son travail alors que la pièce reste plus froide que souhaité, et quelle conséquence cela a pour la maintenance des capteurs.

Analyser la chaîne de contrôle complète d'un passage piéton à bouton : ce qu'elle détecte, ce qu'elle décide et ce qui agit à chaque moment, et expliquer ce qui se passe si le capteur du bouton tombe en panne et quel comportement sûr le système devrait avoir.

Concevoir un système qui maintienne une serre scolaire entre $18\ ^\circ\text{C}$ et $25\ ^\circ\text{C}$ : choisir les capteurs et les actionneurs et décrire avec des règles claires (si…, alors…) les décisions du contrôleur.

Un camarade de classe affirme : « Pour savoir avec une totale certitude si la porte d'un garage est arrivée en fin de course à la fermeture, il vaut bien mieux utiliser une photorésistance (LDR) qu'un capteur de fin de course mécanique, car, étant analogique, elle nous donne une infinité de valeurs et beaucoup plus d'informations qu'un simple capteur numérique tout ou rien ».

1. a) Réfuter techniquement cette affirmation : expliquer deux problèmes réels de fonctionnement ou de fiabilité que poserait la LDR pour cette tâche par rapport au capteur de fin de course.
2. b) Justifier pourquoi le capteur numérique est supérieur dans ce cas précis bien qu'il apporte moins de données.
3. c) Concevoir une fonction de cette même porte automatique où l'usage de la LDR est le choix adapté et où le capteur de fin de course serait inutile.

Concevoir un passage piéton intelligent qui allonge la durée du feu vert s'il détecte que des personnes traversent encore lentement. Indiquer les capteurs, les règles de décision et les actionneurs, et discuter d'un risque ou d'un abus possible du système.

Une serre dispose d'un chauffage, d'un ventilateur et d'une fenêtre motorisée. Classer les trois actionneurs par ordre de priorité selon la consommation et la sécurité, et écrire les règles de décision du contrôleur pour les relevés de $15\ ^\circ\text{C}$, $22\ ^\circ\text{C}$ et $30\ ^\circ\text{C}$.

Pour refroidir une armoire de serveurs, on teste une commande par seuil (tout ou rien) : lorsque la température dépasse $25,0\ ^\circ\text{C}$, le ventilateur s'allume à $100\ \%$ ; si elle descend sous $24,9\ ^\circ\text{C}$, il s'éteint brusquement.

1. a) Prévoir les conséquences négatives de ce système sur la température de la salle et sur la durée de vie du ventilateur (effet de commutation continue et usure mécanique).
2. b) Concevoir une alternative de commande proportionnelle linéaire entre $20,0\ ^\circ\text{C}$ (ventilateur à $0\ \%$) et $30,0\ ^\circ\text{C}$ (ventilateur à $100\ \%$). Calculer à quel pourcentage de puissance fonctionnera le ventilateur si la température est de $26,5\ ^\circ\text{C}$.
3. c) Justifier pourquoi cette commande proportionnelle améliore la stabilité thermique et l'efficacité par rapport à la commande par seuil.

Analyser le système de contrôle d'un feu tricolore avec caméras qui donne la priorité à l'autobus urbain : ce qu'il détecte, ce qu'il décide et ce qui agit dans chaque cas, et ce qui devrait se passer si une ambulance en urgence s'approche.

Un capteur de distance à ultrasons est défaillant avec les tissus et les surfaces inclinées. Expliquer ce que cela implique pour un robot qui lui « fait confiance » aveuglément et proposer une solution de redondance (combiner des capteurs ou des vérifications).