Nous entendons souvent parler de “contrôle en boucle fermée”, en particulier dans le domaine de l'automatisation, du contrôle des mouvements et des systèmes asservis. Mais qu'est-ce que cela signifie réellement ? Et surtout, pourquoi les ingénieurs s'intéressent-ils tant à la question de savoir si un système est en boucle ouverte ou fermée ?
À la base, le contrôle en boucle fermée est une idée simple : mesurer ce qui s'est passé, le comparer à ce que vous vouliez, et corriger automatiquement l'entrée pour maintenir le point de consigne souhaité.
Cette étape de rétroaction est ce qui transforme un processus de “réglage et d'espoir” en quelque chose qui peut tenir une cible même lorsque la vie réelle se met en travers du chemin - charges changeantes, dérive de la température, friction, usure, chute de tension ou changements de flux d'air.
Si vous avez déjà observé un thermostat “chasser” autour d'une température, ou un axe de servo se poser précisément sur une coordonnée commandée, vous avez vu le contrôle en boucle fermée faire ce qu'il fait le mieux : corriger la réalité jusqu'à ce qu'elle corresponde à la cible.
Dans cet article, nous allons expliquer en termes simples ce qu'est le contrôle en boucle fermée, comment il fonctionne et comment il se compare au contrôle en boucle ouverte. Nous nous pencherons ensuite sur l'aspect pratique - les caractéristiques de performance, le réglage et la manière dont le retour d'information en boucle fermée est réellement mis en œuvre dans les systèmes industriels tels que les servocommandes.
Qu'est-ce qu'un système de contrôle en boucle fermée ?
Un système de contrôle en boucle fermée est un système de contrôle dont l'action dépend de la sortie mesurée par le biais d'une voie de retour. Cela permet au système de réguler automatiquement une variable du processus pour qu'elle corresponde à une entrée de référence (point de consigne).
Dans une boucle fermée, un capteur ou un transducteur mesure la sortie (ou une fonction de celle-ci). Cette mesure est renvoyée sous la forme d'un signal de retour, et le contrôleur calcule une valeur de référence. signal d'erreur de la différence entre le point de consigne et la sortie réelle.
Le contrôleur actionne alors l'actionneur pour influencer l'usine/le processus et réduire cette erreur. Étant donné que la boucle se corrige continuellement, le contrôle en boucle fermée est également appelé contrôle par rétroaction, C'est le choix par défaut lorsque la précision, la répétabilité et le rejet des perturbations sont plus importants que la simplicité.
Pourquoi les systèmes en boucle fermée sont-ils importants ?
Les systèmes en boucle fermée sont importants car le retour d'information permet à un contrôleur de corriger les perturbations et les dérives en temps réel, ce qui permet de maintenir les performances stables même lorsque l'environnement ne l'est pas.
Les charges changent. Les températures varient. Les frottements augmentent. La tension d'alimentation faiblit. Une boucle fermée bien conçue détecte ces écarts et les compense, ce qui rend la sortie reproductible et moins sensible aux conditions extérieures.
Cette fiabilité est exactement la raison pour laquelle le contrôle en boucle fermée est omniprésent dans l'automatisation moderne. Les contrôleurs numériques, qu'il s'agisse de microcontrôleurs, d'automates programmables ou de processeurs à l'intérieur d'un servomoteur ADVANCED Motion Controls, peuvent lire plusieurs capteurs et coordonner les sorties plus rapidement que n'importe quel opérateur humain.
Contrôle en boucle fermée ou en boucle ouverte
Le contrôle en boucle fermée utilise le retour d'information de la sortie pour ajuster l'action de contrôle. Le contrôle en boucle ouverte ne le fait pas. Cette phrase est toute la différence, mais elle explique beaucoup de choses.
Un système en boucle ouverte suit un programme de commande, que la sortie corresponde ou non à la cible. Par exemple, un chauffage de base peut fonctionner pendant “10 minutes toutes les heures”. Cela peut fonctionner par temps doux, mais il ne s'adaptera pas lorsque la pièce est plus froide ou qu'une fenêtre est restée ouverte. Un système en boucle fermée mesure la température réelle et fait fonctionner le chauffage uniquement jusqu'à ce que le point de consigne soit atteint.
Le risque industriel de la boucle ouverte
Si l'on passe des thermostats aux machines, la différence devient cruciale. Dans le cas d'une commande de mouvement en boucle ouverte, le contrôleur suppose le mouvement commandé s'est produit. Si un axe se bloque, glisse, décroche ou perd des pas, le programme continue quand même car il n'y a pas de retour d'information disant “nous n'y sommes pas arrivés”.”
C'est là que la défaillance en boucle ouverte devient un problème de sécurité. Le prochain mouvement de l'outil peut être basé sur une position qui n'existe que dans le logiciel. Cette divergence peut entraîner des accidents d'outillage, des pièces entaillées, des montages cassés et des collisions mécaniques.
Le contrôle en boucle fermée ajoute des capteurs et des efforts de réglage, mais c'est la voie standard vers la précision et la robustesse. Si la charge change ou si un axe est en retard, le signal de retour indique l'écart et le contrôleur le corrige - ou déclenche un défaut avant qu'un dommage ne se produise.
Comment fonctionne un système de contrôle en boucle fermée ?
Un système en boucle fermée fonctionne en mesurant la sortie, en la comparant à un point de consigne et en menant une action corrective basée sur l'erreur qui en résulte.
L'élément clé de la boucle est l'élément de comparaison, souvent appelé “élément de comparaison”. jonction de sommation-où le point de consigne et la mesure de retour sont combinés algébriquement.
La relation canonique est la suivante :
$$Error = Setpoint - Actual$$
- Si la sortie tombe en dessous du point de consigne, l'erreur devient positive et le régulateur augmente l'entrée.
- Si la sortie dépasse le point de consigne, l'erreur change de signe et le régulateur recule.
Le résultat est une correction des perturbations. Si une perturbation éloigne la sortie de la cible (par exemple, une augmentation soudaine de la charge d'un moteur), le capteur détecte immédiatement l'écart et le contrôleur compense jusqu'à ce que la sortie revienne dans les limites.
Comment la boucle de rétroaction est-elle fermée à l'intérieur d'un servomoteur ?
Dans le contexte de la commande de mouvement, le servomoteur est l'ensemble “cerveau + muscle”. Il lit le feedback, calcule l'erreur et pousse le couple jusqu'à ce que l'erreur se réduise à zéro.
Chez ADVANCED Motion Controls, nous concevons nos variateurs de vitesse en utilisant une technologie de pointe. Boucle imbriquée architecture. La plupart des systèmes d'asservissement ne fonctionnent pas avec une seule boucle, ils en coordonnent trois, chacune axée sur une variable et une échelle de temps différentes :
- Boucle actuelle (couple) (la plus intérieure, la plus rapide) : Cette boucle contrôle le courant du moteur pour produire le couple commandé. Elle doit être extrêmement rapide pour gérer la dynamique électrique des enroulements du moteur.
- Boucle de vitesse (au milieu) : Cette boucle contrôle la vitesse. Elle utilise une estimation de la vitesse (souvent dérivée du retour d'information du codeur) pour commander le couple. Si la charge augmente et que la vitesse diminue, cette boucle commande une augmentation du courant pour compenser.
- Position Loop (la plus éloignée) : Cette boucle compare la position commandée à la position mesurée. Elle génère des commandes de vitesse pour éliminer l“”erreur de suivi".”
Alors, comment le servomoteur peut-il “pousser plus fort” lorsque la charge change ? Il ajuste la tension et le courant moyens du moteur fournis par l'étage de puissance, généralement par le biais d'une commutation PWM (Pulse Width Modulation).
Si l'axe ralentit sous l'effet de la charge, le retour d'information montre la chute de la vitesse, l'erreur augmente et le variateur réagit en commandant plus de courant (plus de couple) jusqu'à ce que la vitesse cible soit rétablie. Cette robustesse est le principal avantage de la servocommande par rapport aux systèmes pas à pas ou à boucle ouverte.
Qu'est-ce que le contrôle en double boucle ?
Les systèmes d'asservissement standard utilisent un seul dispositif de rétroaction (généralement sur le moteur) pour les trois boucles. Cependant, dans les applications de haute précision, Contrôle en double boucle offre un avantage significatif.
Le contrôle en double boucle utilise deux points de mesure pour contrôler un axe :
- A Encodeur de moteur pour la boucle de vitesse (stabilité).
- A Balance linéaire montée sur charge pour la boucle de position (précision).
Pourquoi le diviser ?
Parce que le moteur et la charge ne sont pas toujours la même chose. Les courroies s'étirent, les accouplements se tordent et les engrenages ont un jeu. Un codeur de moteur peut indiquer une rotation parfaite alors que la charge est en fait en retard en raison de la conformité mécanique.
Avec le contrôle à double boucle, la boucle de vitesse intérieure reste serrée et régulière grâce au retour d'information du moteur, tandis que la boucle de position extérieure se ferme sur l'échelle linéaire. Cela garantit que le contrôleur continue d'avancer jusqu'à ce que la boucle de position extérieure se ferme sur l'échelle linéaire. charge réelle atteint la cible, et pas seulement l'arbre du moteur.
Réglage d'un système en boucle fermée
Le réglage est le processus de sélection des paramètres du contrôleur (comme les gains P, I et D) afin que la boucle atteigne les objectifs de performance sans devenir instable.
- Définir les objectifs : Spécifier les tolérances pour l'erreur en régime permanent, le dépassement et le temps de stabilisation.
- Identifier la plante : Comprendre ce que l'on contrôle (inertie, friction, résonance).
- Définir les gains initiaux : Commencez prudemment. Des gains élevés réduisent l'erreur mais augmentent le risque d'oscillation.
- Valider : Effectuez des essais avec les charges et les perturbations les plus défavorables. Une boucle stable en l'air peut osciller lorsqu'elle est couplée à une charge importante.
Le plus grand risque d'ingénierie dans le contrôle en boucle fermée est le suivant l'instabilité. Un gain trop élevé ou un retard trop important (latence) peuvent entraîner l'auto-oscillation du système. Un réglage approprié permet de trouver la zone “Boucles d'or” - suffisamment rigide pour rejeter les perturbations, mais suffisamment amortie pour rester stable.
Conclusion
Le contrôle en boucle fermée est fondamentalement simple : mesurer la sortie, calculer l'erreur et corriger l'entrée. Pourtant, cette simple idée est à l'origine de l'automatisation de précision dont nous dépendons aujourd'hui, des systèmes thermiques à la robotique multiaxiale.
Bien qu'elle s'accompagne d'une complexité accrue en matière de capteurs et de réglage, les avantages qu'elle offre en termes de précision, de répétabilité et de rejet des perturbations la rendent indispensable. Que vous régliez une boucle PID ou que vous mettiez en service un système d'asservissement multi-axes, le principe reste le même : faites confiance au retour d'information, mais respectez la physique.
