asservissement hydraulique

1-Gnralit:lasservissement: possdant la fois les deux proprits caractristiques suivantes : cest un systme amplification de puissance ; et, surtout, cest un systme retour (systme boucl), cest--dire un systme dans lequel : on mesure en permanence la valeur effectivement prise par la grandeur de sortie, on compare cette valeur la valeur souhaite (ou valeur de consigne ou encore grandeur dentre), on agit sur la commande dans le but dannuler lordre derreur, cest--dire la diffrence entre grandeur dentre et grandeur de sortie. La gure 1 donne le schma et le diagramme fonctionnel dune commande hydraulique et dun asservissement hydraulique. Ces deux systmes sont trs classiques. Ils comportent chacun un vrin aliment par un distributeur, lui-mme reli une source hydraulique pression constante (ou quasi constante), la haute pression p1 , et un rservoir basse pression (ou pression bche)p0 . Leur entre est la position absolue x du tiroir du distributeur.

Remarques Peut-tre faut-il prciser quil ny a pas contradiction entre la distinction commande/asservissement qui vient dtre faite et lobservation, sur un chantier, dans la campagne, du fonctionnement dun engin hydraulique de travaux publics ou agricoles. Une pelleteuse ne comporte gnralement que des commandes hydrauliques en chane ouverte et, si elle fonctionne effectivement comme un asservissement, cest que la boucle est boucle par le pilote humain : qui a en tte lopration accomplir (grandeur dentre) ; qui observe sa pelle (mesure de la grandeur de sortie) ; et qui agit en consquence sur les leviers de distribution

sa disposition. Cette distinction entre commande et asservissement, trs claire, trs nette tant que lon se limite lhydraulique analogique classique, devient beaucoup plus complexe et beaucoup moins vidente lorsque lon sintresse lhydraulique numrique de puissance, mais cest un autre sujet quil nest pas question daborder ici.

La prsence dune chane de retour modie radicalement le comportement des systmes hydrauliques, leur tendance naturelle linstabilit, au pompage, est bien connue. En fait, les asservissements hydrauliques ont t trs longtemps considrs comme capricieux, incalculables donc pratiquement inutilisables. Et il faut bien avouer quun faisceau de raisons convergentes expliquait la mance dont ils taient lobjet : les lois de lhydraulique sont rarement linaires, alors que les plus simples et les plus efficaces des mthodes dtude des systmes asservis concernent justement les systmes rgis par des quations linaires ; mais surtout le caractre capricieux des asservissements hydrauliques nest pas uniquement lalibi de lignorance ; il est rel en ce sens que trs souvent les paramtres stabilisateurs sont uniquement lis au phnomne alatoire du frottement ; il en faut trs peu pour assurer une stabilit satisfaisante, mais il en faut un peu et, si ce peu vient manquer, le rsultat peut tre dsastreux. Actuellement, toutefois des mthodes dtude spciquement adaptes aux asservissements hydrauliques se sont dveloppes ; leurs succs spectaculaires ont converti les hydrauliciens et ceux-ci puisent dans un arsenal de plus en plus vaste des mthodes dtude et des procds de stabilisation de plus en plus srs

2-Asservissement en position entre mcanique ou lectrique Revenons au trs classique asservissement hydraulique en position, entre mcanique, source pression constante, et distributeur restriction (gure 1 b ). Lentre mcanique est trs simple et elle est parfaitement adapte, par exemple, aux systmes de servodirection des vhicules pilots, certaines machines, la commande de certains processus, etc. Mais, faisant une comparaison directe entre deux positions

mcaniques, x et z, elle ne convient ni aux missiles, ni aux robots, ni aux machines automatiques, sauf installer en amont un premier systme (par exemple, un asservissement lectrique) qui fabrique la position dentre x de lasservissement de puissance partir dun ou plusieurs paramtres amont, gnralement lectriques. Cette solution se rencontre trs souvent, mais elle est de plus en plus concurrence par lasservissement lectrohydraulique dans lequel composants hydrauliques, composants lectriques et lectroniques et composants dinterface se succdent dans une boucle unique comme le montre la gure 2 . L a s s e r v i s s e m e n t l e c t r o h y d r a u l i q u e p r s e n t e c e r t a i n s avantages : il est trs souple ; en effet, il permet dadapter trs facilement le gain de la boucle dasservissement hydraulique, dy introduire des rseaux correcteurs de ralisation plus aise en technique lectrique quen technique hydraulique et, ventuellement, de modifier lordre principal ou de lui ajouter des ordres secondaires ayant, par exemple, des fonctions de stabilisation ou de scurit ; cette raison est dterminante pour le choix des chanes de pilotage lectrohydrauliques pour les avions modernes (Contrle Automatique Gnralis), pour les robots et les machines automatiques, etc. ; il permet dobtenir des rponses trs rapides ; en effet, llectricit nassumant que des fonctions niveau nergtique extrmement bas, il est possible de faire bnficier la chane de la nette supriorit de lhydraulique pour rpondre des exigences simultanes de rapidit et de puissance, ce qui est dterminant pour le choix des chanes de pilotage lectrohydrauliques sur les fuses.

Figure 1 Commande hydraulique (a ) et asservissement hydraulique en position entre mcanique du type corps mobile (b )

Figure 2 Asservissement lectrohydraulique en position

En un mot, lasservissement lectrohydraulique jouit la fois des avantages des systmes lectriques : souplesse, facilit dadaptation, aptitude aux fonctions logiques et de calcul, et des avantages des systmes hydrauliques : obtention simultane de hautes

performances de puissance et de rapidit, grande puissance massique, haute abilit. Devant de tels avantages, on peut se demander pourquoi lasservissement lectrohydraulique ne sest pas dvelopp plus tt et plus largement. La principale raison est sans doute la difcult de ralisation de lorgane essentiel de la

chane, lorgane assurant le passage de llectricit lhydraulique, le distributeur proportionnel commande lectrique. Les premires ralisations valables de ce distributeur, dsign dans le langage technique international sous le nom anglo-saxon de servovalve, datent de la n des annes 50 et nont vu le jour que sous la pousse des exigences propres au pilotage des fuses. Actuellement, des servovalves de tous types et de toutes catgories sont disponibles sur le march des prix certes encore trs levs, mais qui ont beaucoup diminu au cours des dix dernires annes (passant en gros du prix dune petite voiture celui dun vlomoteur). Ainsi, sous peu, le principal obstacle la gnralisation des asservissements lectrohydrauliques restera le manque dinformation des utilisateurs sur les conditions demploi des servovalves disponibles et sur les principales rgles de lart appliquer pour la ralisation de llectronique de bouclage. Le fonctionnement et la technologie des servovalves sont dcrits dans larticle Asservissements hydrauliques et lectrohydrauliques [B 6 071] de ce trait.

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3-Asservissements hydraulique en vitesseen force, en pression Qu il s agisse de l asservissement hydraulique entre mcanique ou de l asservissement lectrohydraulique, c est--dire entre lectrique, nous restons dans le domaine de l asservissement en position. Or, on peut souhaiter asservir une grandeur qui n est pas une position. Citons surtout l asservissement en vitesse ( gure 3) aux 4 multiples applications :

variateurs hydrauliques ; entranement vitesse constante partir d une source vitesse variable (production de courant alternatif sur vhicules), etc. Citons aussi l asservissement en force qui a quelques trs bons crneaux d application, comme les machines d essais de fatigue ou les systmes de restitution d effort (sensation arti cielle, gure 4).

Figure 3 Asservissement en vitesse Figure 4 Asservissement en force

Citons en n l asservissement en pression qui trouve des applications par exemple : dans le freinage des vhicules ; dans les gnrations hydrauliques pompe volumtrique, cylindre variable, que l on utilise pression de refoulement constante, donc en rgulant ladite pression de refoulement par action sur la cylindre (figure 5). Figure 5 Asservissement en pression

4-Points forts de lasservissement hydrauliqueGnralement, lasservissement hydraulique nest pas une solution trs bon march. Son domaine ne sera donc pas celui des systmes performances mdiocres et critres de choix essentiellement conomiques. Il faut penser lasservissement hydraulique lorsquil est le seul offrir la performance dont on a besoin, ou lorsquil la ralise mieux que les systmes concurrents. On trouvera ci-aprs une liste (une liste mais non un classement) des performances que lon doit considrer comme les points forts de lasservissement hydraulique. 4.1 Performances dynamiques Les asservissements hydrauliques sont actuellement les plus per-

formants lorsque lon recherche simultanment puissance et rapidit de rponse. Quon lexprime en termes de frquence de coupure, de temps de rponse ou de constante de temps quivalente, sa vitesse de rponse un ordre imprvu est une caractristique essentielle dun asservissement.

lectroniquement, on sait mobiliser trs vite des puissances trs faibles. lectriquement, on peut mettre en uvre des puissances considrables, condition de disposer dun certain dlai. Lasservissement hydraulique permet de mobiliser rapidement des puissa nces i mport ant es. Ainsi, un s yst me de pil ota ge lectrohydraulique de missile balistique : a une puissance par vrin de lordre de 10 kW ; a une constante de temps quivalente de lordre de 10 ms. Nota : il sagit seulement dun ordre de grandeur, tant sont nombreux les paramtres qui dterminent, dans chaque cas, la vritable limite des performances ralisables. Retenons quactuellement, malgr les progrs rcents des transistors de puissance dune part, des aimants au samarium-cobalt et des moteurs sans collecteur dautre part, les asservissements lectriques capables de rpondre en 10 ms semblent plafonner vers 1 ou 2 kW, et ceux qui dveloppent 10 kW ne semblent gure rpondre plus vite quen une cinquantaine de millisecondes. Seul lasservissement lectrique coupleurs, au prix il est vrai de certaines contraintes, peut avoir des performances comparables celles de lasservissement hydraulique. 4.2 Puissance massique Les asservissements hydrauliques ont une puissance massique leve (grce la puissance massique trs leve des organes de puissance hydrauliques). Ce moteur nu a donc une puissance massique (= 24 kW/2,3 kg) suprieure 10 kW/kg qui pourra ntre que modrment affecte par le poids des systmes de distribution et de dtection ncessaires pour le transformer en asservissement. La performance lectrique mettre en parallle serait de lordre de 2 3 kW/kg. Encore sagit-il de moteurs performants temps de fonctionnement continu limit par lchauffement, alors que le moteur hydraulique, parfaitement refroidi par le uide qui le traverse, ne connat aucune limitation de ce genre. Figure 5 Asservissement en pression Frquence de coupure : frquence pour laquelle, en rgime permanent, le dphasage entre un ordre dentre sinusodal et la rponse du systme (ou le premier harmonique de cette rponse) atteint un certain angle le plus souvent 45o, parfois 90o. Il convient donc de prciser : frquence de coupure 45o (ou 90o). Temps de rponse : temps au bout duquel la rponse du systme un ordre en chelon atteint un certain pourcentage de

sa valeur dnitive, par exemple 95 % ; on parle alors dun temps de rponse 5 % (ou pour 90 %, on parle alors dun temps de rponse 10 %). Constante de temps quivalente : lorsquun systme physique S peut, en premire approximation, tre assimil un systme du premier ordre S 1 , sa constante de temps quivalente est la constante de temps du systme S 1 . Par exemple : sur un quipement de lavion Airbus A 310 est utilis un moteur hydraulique moderne mais classique, fait pour vivre des dizaines de milliers dheures, qui a une masse de 2,3 kg et qui, 7 500 tr/min, peut traiter 72 L/min de uide sous 250 bar, donc consomme 30 kW hydrauliques pour fournir environ 24 kW mcaniques sur son arbre (articles Transmissions hydrostatiques et organes de transmissions [BM 6 030] et Pompes et moteurs [BM 6 031] dans ce trait)

Ce moteur nu a donc une puissance massique (= 24 kW/2,3 kg) suprieure 10 kW/kg qui pourra ntre que modrment affecte par le poids des systmes de distribution et de dtection ncessaires pour le transformer en asservissement. La performance lectrique mettre en parallle serait de lordre de 2 3 kW/kg. Encore sagit-il de moteurs performants temps de fonctionnement continu limit par lchauffement, alors que le moteur hydraulique, parfaitement refroidi par le uide qui le traverse, ne connat aucune limitation de ce genre