Bases

Dans notre vie quotidienne, des régulateurs fonctionnent partout. La température de votre corps (température centrale) est maintenue à 37 °C par un régulateur biologique. Un régulateur de vitesse maintient constante la vitesse d’une voiture. Une régulation de chauffage contrôle la température d’une pièce. Tous ces régulateurs reposent sur des principes très semblables, qui sont l’objet de l’automatique. Une fois ces principes et quelques démarches standard assimilés, vous pourrez réguler un très grand nombre de systèmes au cours de votre carrière technique.

L’objectif de l’automatique est qu’une grandeur du système (la « grandeur réglée ») soit égale à une consigne. Sur l’exemple, cette formulation générale donne : la température du corps doit être de 37 °C. Le problème est que des influences de l’environnement agissent sur la température du corps. Pour les compenser, le corps doit chauffer et refroidir. Il doit donc réagir activement aux influences extérieures.

Quelles possibilités le corps a-t-il ? Dans le règne animal, il pousse une fourrure à l’animal : son corps réagit ainsi à un environnement trop froid. Certains animaux ont un pelage d’été et un pelage d’hiver. Ils supposent qu’en moyenne il fait bien plus froid en hiver qu’en été. Si ce n’est pas le cas pour une fois, l’animal a un problème thermique. Changer de pelage est une intervention grossière qui fait déjà évoluer la température de la peau dans la bonne direction.

Certains animaux recherchent dans leur environnement des endroits thermiquement isolés où ils perdent moins de chaleur. Il s’agit toujours de réduire au minimum l’effet de la température extérieure sur la température centrale.

Si cela ne suffit pas et que le corps devient trop chaud ou trop froid, que peut-il faire ? Il peut chauffer ou refroidir. Les mammifères chauffent par le mouvement (par exemple en frissonnant) ou par un métabolisme accru. Ils refroidissent en transpirant et en haletant (chiens). La chair de poule, en revanche, réduit les pertes de chaleur.

La réaction du corps à une « mauvaise » température est limitée dans son effet. Un lion ne peut pas survivre en Arctique : ses moyens d’action thermiques sont trop faibles. Les mécanismes biologiques ne permettent de compenser que de légers écarts autour de la consigne.

La boucle de régulation de la température humaine fonctionne ainsi : le corps connaît la consigne de sa température centrale. L’écart est défini comme consigne moins valeur réelle. Le corps peut détecter des écarts vers le haut et vers le bas. Il réagit ensuite par une ou plusieurs interventions actives pour que l’écart entre la température du corps et la consigne soit le plus faible possible. Idéalement, il est nul : la température du corps est alors égale à la consigne.

L’écart « consigne moins valeur réelle » est positif quand le corps est trop froid. Le corps chauffe alors jusqu’à ce que l’écart disparaisse. Si le corps est trop chaud, l’écart est négatif. Le corps refroidit alors jusqu’à ce que l’écart disparaisse.

Voyons quelques termes de l’automatique :

Termes

Une consigne est une valeur imposée, souvent introduite de l’extérieur dans le système. Elle indique quelle valeur doit avoir la valeur réelle. La consigne est une grandeur d’entrée. Dans l’exemple, c’est la température de 37 °C. La grandeur de référence (grandeur de consigne) est le terme officiel de l’automatique pour la consigne.

La grandeur réglée est modifiée par une régulation de façon à correspondre le plus exactement possible à la consigne. C’est une grandeur de sortie. Dans l’exemple, la température du corps est la grandeur réglée.

Le système est difficile à décrire de façon générale. Le corps est le système dans lequel la température est régulée. Le système est ce dans quoi se trouve la grandeur réglée (valeur réelle) et qui peut recevoir une grandeur de référence (consigne).

Un régulateur est un dispositif technique – le plus souvent un logiciel – qui doit permettre d’atteindre l’objectif de l’automatique. Il décrit comment faire en sorte que la grandeur réglée corresponde toujours à la consigne. Le régulateur est ajouté au système pour la régulation. Dans l’exemple du corps, des parties du cerveau et du système nerveux sont responsables de la régulation.

Une grandeur perturbatrice influence la grandeur réglée de façon non voulue. Elle donne du travail au régulateur, qui doit compenser son effet sur la grandeur réglée. Des perturbations de la régulation de la température corporelle sont par exemple la température de l’air ou le vent. Si une personne se met soudain à courir, son corps s’échauffe. Le corps réagit à cette perturbation en transpirant : il refroidit.

L’actionneur agit sur le système de façon à modifier la grandeur réglée. Il est généralement commandé directement par le régulateur. Dans l’exemple, l’actionneur est la peau, par laquelle passent la transpiration et la chair de poule. La peau modifie son comportement pour que la température du corps baisse ou monte. Un autre actionneur est le métabolisme, qui assure une « production de chaleur » plus ou moins importante dans le corps.

Autres exemples de systèmes régulés

Le niveau d’un réservoir d’eau dans une installation chimique doit correspondre à un niveau de consigne. Le niveau du réservoir est la grandeur réglée du système ; le niveau de consigne est la grandeur de référence ; le réservoir est le système. Il dispose d’une arrivée équipée d’une vanne réglable, qui permet de régler le débit d’eau entrant. Le débit entrant est la grandeur d’entrée du système ; la vanne est l’actionneur. On prélève régulièrement de l’eau dans le réservoir, ce qui fait baisser le niveau : c’est la perturbation du système. Un régulateur a pour tâche de faire en sorte que le niveau corresponde toujours à la consigne, quelle que soit la quantité d’eau prélevée. Pour cela, il commande l’actionneur.

La vitesse (grandeur réglée) d’une voiture (système) est régulée par un régulateur de vitesse. Le conducteur impose la vitesse de consigne (grandeur de référence). La grandeur d’entrée du système est la pédale d’accélérateur, qui impose l’accélération au calculateur de la voiture. L’actionneur est le moteur. La grandeur réglée est la vitesse actuelle de la voiture. Les perturbations agissant sur la grandeur de sortie sont entre autres la pente de la route, le vent de face et les frottements. Le régulateur de vitesse est le régulateur : il fait en sorte que la vitesse corresponde toujours à la consigne, quelle que soit l’importance des perturbations.

Ces trois exemples sont fortement simplifiés pour montrer le principe de fonctionnement. Pour pouvoir étudier des systèmes en vue d’une régulation, nous les transformons d’abord en un modèle. Le modèle représente un système réel aussi fidèlement que possible à l’aide d’équations mathématiques.