Dans le didacticiel précédent sur les systèmes électroniques, nous avons vu qu’un système peut être défini comme un ensemble de sous-systèmes qui dirigent ou contrôlent un signal d’entrée pour produire l’état de sortie souhaité. Mais tout système électrique ou électronique qui ne corrige pas automatiquement toute variation de sa sortie est appelé un système à boucle ouverte.

La fonction de tout système électronique est de réguler automatiquement la sortie et de la maintenir dans la valeur ou le “point de consigne” d’entrée souhaité par le système. Si l’entrée du système change pour une raison quelconque, la sortie du système doit réagir en conséquence et s’ajuster pour refléter la nouvelle valeur d’entrée.

De même, si quelque chose perturbe la sortie du système sans aucun changement à la valeur d’entrée, la sortie doit répondre en revenant à sa valeur initiale. Dans le passé, les systèmes de contrôle électrique étaient principalement manuels ou ce que l’on appelle un système à boucle ouverte, avec très peu de fonctionnalités de contrôle automatique ou de rétroaction intégrées pour réguler la variable de processus afin de maintenir le niveau ou la valeur de sortie souhaitée.

Par exemple, un sèche-linge électrique. En fonction de la quantité de vêtements ou de leur degré d’humidité, un utilisateur ou opérateur réglerait un minuteur (contrôleur) à, disons, 30 minutes et à la fin de ces 30 minutes, le sèche-linge s’arrêtera automatiquement même si les vêtements sont encore humides ou mouillés.

Dans ce cas, l’action de contrôle est l’évaluation manuelle par l’opérateur de l’humidité des vêtements et le réglage du processus (du sèche-linge) en conséquence.

Dans cet exemple, le sèche-linge serait un système à boucle ouverte car il ne surveille ni ne mesure l’état du signal de sortie, qui est la sécheresse des vêtements. L’exactitude du processus de séchage, ou le succès du séchage des vêtements, dépendra de l’expérience de l’utilisateur (opérateur).

Cependant, l’utilisateur peut ajuster ou affiner le processus de séchage du système à tout moment en augmentant ou diminuant le temps de séchage du contrôleur, s’il pense que le processus de séchage initial ne sera pas atteint. Par exemple, en augmentant le temps du contrôleur de 30 à 40 minutes pour prolonger le processus de séchage. Considérons le diagramme de bloc à boucle ouverte suivant.

Système de Séchage à Boucle Ouverte

Ensuite, un système à boucle ouverte, également appelé système sans rétroaction, est un type de système de contrôle continu dans lequel la sortie n’a aucune influence ou effet sur l’action de contrôle du signal d’entrée. En d’autres termes, dans un système de contrôle à boucle ouverte, la sortie n’est ni mesurée ni “rétro-insérée” pour comparaison avec l’entrée. Par conséquent, un système à boucle ouverte est censé suivre fidèlement son ordre d’entrée ou son point de consigne indépendamment du résultat final.

De plus, un système à boucle ouverte n’a aucune connaissance de l’état de la sortie et ne peut donc pas auto-corriger les erreurs qu’il pourrait faire lorsque la valeur présélectionnée dérive, même si cela entraîne de grandes déviations par rapport à la valeur présélectionnée.

Un autre inconvénient des systèmes à boucle ouverte est qu’ils sont mal équipés pour gérer les perturbations ou les changements dans les conditions qui peuvent réduire leur capacité à accomplir la tâche souhaitée. Par exemple, si la porte du sèche-linge s’ouvre, la chaleur s’échappe. Le contrôleur de minuterie continue cependant pendant les 30 minutes complètes, mais les vêtements ne sont ni chauffés ni séchés à la fin du processus de séchage. Cela est dû à l’absence d’informations renvoyées pour maintenir une température constante.

Ainsi, nous pouvons voir que les erreurs du système à boucle ouverte peuvent perturber le processus de séchage et nécessitent par conséquent une attention supplémentaire de l’utilisateur (opérateur). Le problème avec cette approche de contrôle anticipatoire est que l’utilisateur doit souvent surveiller la température du processus et prendre toute mesure corrective chaque fois que le processus de séchage s’écarte de sa valeur souhaitée. Ce type de contrôle manuel à boucle ouverte qui réagit avant qu’une erreur ne se produise réellement est appelé Contrôle Anticipé.

L’objectif du contrôle anticipé, également connu sous le nom de contrôle prédictif, est de mesurer ou de prévoir toute perturbation potentielle en boucle ouverte et de compenser manuellement avant que la variable contrôlée ne s’écarte trop de la valeur d’origine. Ainsi, dans notre exemple simple ci-dessus, si la porte du sèche-linge était ouverte, elle serait détectée et fermée permettant au processus de séchage de continuer.

Si appliqué correctement, la déviation des vêtements mouillés aux vêtements secs à la fin des 30 minutes serait minimale si l’utilisateur réagissait très rapidement à la situation d’erreur (porte ouverte). Cependant, cette approche anticipée peut ne pas être complètement précise si le système change, par exemple, la baisse de la température de séchage n’a pas été remarquée pendant le processus de 30 minutes.

Nous pouvons alors définir les principales caractéristiques d’un “système à boucle ouverte” comme étant :

• Il n’y a pas de comparaison entre les valeurs réelles et souhaitées.
• Un système à boucle ouverte n’a pas d’auto-régulation ou d’action de contrôle sur la valeur de sortie.
• Chaque réglage d’entrée détermine une position de fonctionnement fixe pour le contrôleur.
• Des changements ou des perturbations dans les conditions externes ne résultent pas en un changement direct de sortie    (sauf si le réglage du contrôleur est modifié manuellement).

Tout système à boucle ouverte peut être représenté par plusieurs blocs en cascade en série ou un seul diagramme de blocs avec une entrée et une sortie. Le diagramme de blocs d’un système à boucle ouverte montre que le chemin du signal de l’entrée à la sortie représente un chemin linéaire sans boucle de rétroaction et pour tout type de système de contrôle, l’entrée est désignée par θi et la sortie par θo.

En général, nous n’avons pas besoin de manipuler le diagramme de blocs à boucle ouverte pour calculer sa fonction de transfert réelle. Nous pouvons simplement écrire les relations ou les équations appropriées depuis chaque diagramme de blocs, puis calculer la fonction de transfert finale à partir de ces équations comme montré.

Système à Boucle Ouverte

La Fonction de Transfert de chaque bloc est donc :

La fonction de transfert globale est donnée par :

Ainsi, le Gain à Boucle Ouverte est donné simplement par :

Lorsque G représente la Fonction de Transfert du système ou du sous-système, elle peut être réécrite comme : G(s) = θo(s)/θi(s)

Les systèmes de contrôle à boucle ouverte sont souvent utilisés avec des processus qui nécessitent la séquence d’événements à l’aide de signaux “ON-OFF”. Par exemple, une machine à laver qui nécessite que l’eau soit mise “ON” puis, lorsque pleine, est mise “OFF”, suivie de l’élément chauffant qui est mis “ON” pour chauffer l’eau, puis à une température appropriée est mise “OFF”, et ainsi de suite.

Ce type de contrôle “ON-OFF” en boucle ouverte est adapté aux systèmes où les changements de charge se produisent lentement et le processus est très lent à agir, nécessitant des changements peu fréquents de l’action de contrôle par un opérateur.

Résumé du Didacticiel

Nous avons vu qu’un contrôleur peut manipuler ses entrées pour obtenir l’effet souhaité sur la sortie d’un système. Un type de système de contrôle dans lequel la sortie n’a aucune influence ou effet sur l’action de contrôle du signal d’entrée est appelé un système à boucle ouverte.

Un “système à boucle ouverte” se définit par le fait que le signal ou l’état de sortie n’est ni mesuré ni “retourné” pour comparaison avec le signal d’entrée ou le point de consigne du système. Par conséquent, les systèmes à boucle ouverte sont communément appelés “systèmes sans rétroaction”.

De plus, comme un système à boucle ouverte n’utilise pas de rétroaction pour déterminer si sa sortie requise a été atteinte, il “suppose” que l’objectif souhaité de l’entrée a été atteint car il ne peut corriger aucune erreur qu’il pourrait faire, et donc ne peut pas compenser les perturbations externes au système.

Contrôle de Moteur

Par exemple, supposons le contrôleur de moteur CC comme montré. La vitesse de rotation du moteur dépendra de la tension fournie à l’amplificateur (le contrôleur) par le potentiomètre. La valeur de la tension d’entrée pourrait être proportionnelle à la position du potentiomètre.

Si le potentiomètre est déplacé à la position maximale, la tension positive maximale sera fournie à l’amplificateur représentant la vitesse maximale. De même, si le balancier du potentiomètre est déplacé à la position minimale, aucune tension ne sera fournie représentant une très faible vitesse ou un arrêt.

Ensuite, la position du curseur du potentiomètre représente l’entrée, θi qui est amplifiée par l’amplificateur (contrôleur) pour entraîner le moteur CC (processus) à une vitesse déterminée N, représentant la sortie, θo du système. Le moteur continuera à tourner à une vitesse fixe déterminée par la position du potentiomètre.

Comme le chemin du signal de l’entrée à la sortie est un chemin direct ne formant pas partie d’une boucle, le gain global du système sera les valeurs en cascade des gains individuels du potentiomètre, de l’amplificateur, du moteur et de la charge. Il est clairement souhaitable que la vitesse de sortie du moteur soit identique à la position du potentiomètre, donnant au gain global du système une unité.

Cependant, les gains individuels du potentiomètre, de l’amplificateur et du moteur peuvent varier dans le temps avec des changements de tension d’alimentation ou de température, ou la charge du moteur peut augmenter représentant des perturbations externes au système de contrôle de moteur à boucle ouverte.

Mais l’utilisateur finira par prendre conscience du changement de la performance du système (changement de vitesse du moteur) et peut le corriger en augmentant ou diminuant le signal d’entrée du potentiomètre en conséquence pour maintenir la vitesse originale ou souhaitée.

Les avantages de ce type de “contrôle de moteur à boucle ouverte” sont qu’il est potentiellement peu coûteux et simple à mettre en œuvre, le rendant idéal pour une utilisation dans des systèmes bien définis où la relation entre l’entrée et la sortie est directe et non influencée par des perturbations extérieures. Malheureusement, ce type de système à boucle ouverte est inadéquat car les variations ou perturbations dans le système affectent la vitesse du moteur. Un autre form de contrôle est donc nécessaire.

Dans le prochain didacticiel sur les systèmes électroniques, nous examinerons l’effet de renvoyer une partie du signal de sortie à l’entrée afin que le contrôle du système soit fondé sur la différence entre les valeurs réelles et souhaitées. Ce type de système de contrôle électronique est appelé Contrôle à Boucle Fermée.