Principes de base.

A quelques exceptions près et relativement peu importantes, tous les systèmes de contrôle modernes ont en commun deux caractéristiques fondamentales. Celles-ci peuvent être décrites comme suit : (1) La valeur de la quantité contrôlée est modifiée par un moteur (ce mot étant utilisé dans un sens généralisé), qui tire son énergie d’une source locale plutôt que d’un signal entrant. Ainsi, une grande quantité d’énergie est disponible pour effectuer les variations nécessaires de la quantité contrôlée et pour garantir que les opérations de variation de la quantité contrôlée ne chargent pas et ne déforment pas les signaux dont dépend la précision du contrôle. (2) Le taux auquel l’énergie est fournie au moteur pour effectuer les variations de la valeur de la quantité contrôlée est déterminé plus ou moins directement par une fonction de la différence entre les valeurs réelle et désirée de la quantité contrôlée. Ainsi, par exemple, dans le cas d’un système de chauffage thermostatique, l’alimentation en combustible du fourneau est déterminée par le fait que la température réelle est supérieure ou inférieure à la température désirée. Un système de commande possédant ces caractéristiques fondamentales est appelé système de commande en boucle fermée, ou servomécanisme (voir figure). Les systèmes de commande en boucle ouverte sont des systèmes à action directe.

La stabilité d’un système de commande est déterminée dans une large mesure par sa réponse à un signal appliqué soudainement, ou transitoire. Si un tel signal amène le système à se surcorriger, un phénomène appelé chasse peut se produire, dans lequel le système se surcorrige d’abord dans une direction, puis dans la direction opposée. Le phénomène de chasse étant indésirable, des mesures sont généralement prises pour le corriger. La mesure corrective la plus courante consiste à ajouter un amortissement quelque part dans le système. L’amortissement ralentit la réponse du système et évite les sursauts ou les surcorrections excessives. L’amortissement peut prendre la forme d’une résistance électrique dans un circuit électronique, de l’application d’un frein dans un circuit mécanique ou du forçage de l’huile à travers un petit orifice comme dans l’amortissement des amortisseurs.

Une autre méthode pour s’assurer de la stabilité d’un système de commande consiste à déterminer sa réponse en fréquence, c’est-à-dire sa réponse à un signal d’entrée variant continuellement à diverses fréquences. La sortie du système de commande est alors comparée à l’entrée en ce qui concerne l’amplitude et la phase, c’est-à-dire le degré de décalage entre les signaux d’entrée et de sortie. La réponse en fréquence peut être soit déterminée expérimentalement – en particulier dans les systèmes électriques – soit calculée mathématiquement si les constantes du système sont connues. Les calculs mathématiques sont particulièrement utiles pour les systèmes qui peuvent être décrits par des équations différentielles linéaires ordinaires. Les raccourcis graphiques aident aussi beaucoup à l’étude des réponses du système.

Plusieurs autres techniques entrent dans la conception des systèmes de contrôle avancés. La commande adaptative est la capacité du système à modifier son propre fonctionnement pour atteindre le meilleur mode de fonctionnement possible. Une définition générale de la commande adaptative implique qu’un système adaptatif doit être capable de remplir les fonctions suivantes : fournir des informations continues sur l’état actuel du système ou identifier le processus ; comparer la performance actuelle du système à la performance souhaitée ou optimale et prendre une décision pour modifier le système afin d’atteindre la performance optimale définie ; et initier une modification appropriée pour amener le système de commande à l’optimum. Ces trois principes – identification, décision et modification – sont inhérents à tout système adaptatif.

La commande dynamique-optimisante exige que le système de commande fonctionne de telle sorte qu’un critère de performance spécifique soit satisfait. Ce critère est généralement formulé en des termes tels que le système contrôlé doit se déplacer de la position initiale à une nouvelle position dans le temps le plus court possible ou à un coût total minimum.

La commande par apprentissage implique que le système de commande contienne une capacité de calcul suffisante pour qu’il puisse développer des représentations du modèle mathématique du système contrôlé et puisse modifier son propre fonctionnement pour tirer profit de cette connaissance nouvellement développée. Ainsi, le système de commande par apprentissage est un développement ultérieur du contrôleur adaptatif.

La commande multivariable sans interaction implique de grands systèmes dans lesquels la taille des variables internes dépend des valeurs d’autres variables liées du processus. Ainsi, les techniques à boucle unique de la théorie classique du contrôle ne suffiront pas. Des techniques plus sophistiquées doivent être utilisées pour développer des systèmes de contrôle appropriés pour de tels processus.