tourelle motorisée 2 axes ce webinar présente

Tourelle motorisée 2 Axes

Ce Webinar présente

à partir d’une Tourelle motorisée 2 Axes réelle :

• la conception,

• la réalisation,

• et le fonctionnement,

d’une Tourelle motorisée 2 Axes didactisée :

• pour l’étude de la programmation et l’exécution de programmes Python

• pour l’étude d’un asservissement de vitesse avec correcteur PID


Sommaire

Le cahier des charges

L’exploitation pédagogique « Asservissement »:

De quoi s’agit-il

Conception et réalisation mécanique

Conception et réalisation électronique

Structure matérielle

Architecture du programme informatique

Essais de caractérisation de l’asservissement de vitesse

La démarche d’ingénierie didactique

Spécialités Sciences de l’Ingénieur

STI2D

CPGE

Questions / Réponses


La Tourelle motorisée 2 axes de marque ZIFON est destiné plus particulièrement aux professionnels pour la réalisation de photos stables, portraits, macros ou panoramiques de très haute qualité

Sommaire


L’exploitation pédagogique :

De quoi s’agit-il





Concept de l’asservissement

La démarche d’ingénierie


STI2D

CPGE

Essais de caractérisation de l’asservissement (consigne/modélisé/réalisé)


ZIFON, Tourelle motorisée 2 axes pour les professionnels pour la réalisation de photos stables, portraits, macros ou panoramiques de très haute qualité

Tourelle motorisée 2 Axes, réelle, didactisée, connectée à un ordinateur en filaire USB et pilotée par un IHM MyViz pour:

• la programmation et l’exécution de programmes Phyton

• l’étude de l’asservissement de vitesse avec correcteur PID du moteur PAN:

Du produit réel… … au système didactique: Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Les problématiques techniques


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Les problématiques techniques

Système grand public moteur CC

Utilisation avec des gammes de faibles vitesses Tension de seuil Tension de saturation

Régulation de vitesse obligatoire


Exploitation pédagogique pour la Spécialité Sciences de l’Ingénieur

Sommaire



De quoi s’agit-il






Spécialités Sciences de l’Ingénieur STI2D

CPGE

Beaucoup d’autres capacités et de compétences sont développées. Se reporter à la fiche commerciale pour visualiser les TP développés.

Niveau acquisition (classe de première) Niveau Consolidation (classe de Terminale)

Capacités Compétences développées

Connaissances associées Compétences développées

Connaissances associées

An

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Systèmes asservis linéaires en régime permanent Structure par chaîne directe ou bouclée, perturbation, comparateur, correcteur proportionnel, précision (erreur statique)

Mo

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Notion de système asservi: consigne d’entrée, grandeur de sortie, perturbation, erreur, correcteur proportionnel

Exp

érim

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Si

mu

ler

Écarts de performance absolu ou relatif, et interprétations possibles Erreurs et précision des mesures expérimentales ou simulées Traitement des données : tableaux, graphiques, valeurs moyennes, écarts types, incertitude de mesure

Écarts entre les performances simulées et mesurées

Analyser le

comportement

d’un système

asservi

Associer un modèle à un système asservi

Valider un modèle numérique de l’objet simulé

Quantifier les écarts de performances entre les valeurs attendues, les valeurs mesurées et les valeurs obtenues par simulation




Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D CPGE

Exploitation pédagogique pour STI2D (Asservissement)

Beaucoup d’autres objectifs et de compétences sont développées. Se reporter à la fiche commerciale pour visualiser les TP développés.

Spécialité I2D-EE

Dimension Scientifique et technique

Objectif O2- Approche fonctionnelle et structurelle des produits

O3- Approche comportementale des produits

Compétences développées

CO3.2. Identifier et caractériser l’agencement matériel et/ou logiciel d’un produit

CO3.3. Identifier et caractériser le fonctionnement temporel d’un produit ou d’un processus.

Chapitre de connaissances abordées

3.4.4. Comportement des systèmes régulés ou asservis

3.4.4 Comportement des systèmes régulés ou asservis

Représentation d’une boucle de régulation ou d’asservissement.

I2D-2 EE-3 Il s’agit d’étudier l’organisation fonctionnelle d’une boucle de régulation ou d’asservissement.

3.4.4 Comportement des systèmes régulés ou asservis

Contrôle du fonctionnement d’un système régulé ou asservi en vue d’un maintien au plus près d’un point de fonctionnement.

EE-3

Identification du principe utilisé (régulation, asservissement) et caractérisation des paramètres influant sur le contrôle du fonctionnement en vue d’un maintien au plus près d’un point de fonctionnement.




Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE

Exploitation pédagogique pour CPGE




Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Exploitation pédagogique possible pour CPGE - PCSI

Exploitation pédagogique possible pour PTSI - PT

Les tableaux, qui suivent, présentent les possibilités de TP identifiés. La Tourelle motorisée 2 Axes sera livrée avec environ 10 à 12 TP.


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Exploitation pédagogique pour CPGE - PCSI

Analyser Modéliser Résoudre Expérimenter Concevoir Communiquer

COMPETENCES CENTRES D’INTERET

A1 –

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CI 1- Identifier le besoin, les exigences du cahier des charges et les fonctions techniques

X

CI 2- Analyser l’architecture fonctionnelle, structurelle d’un système asservi.

X

CI 3- Analyser les chaînes d’information et d’énergie, identifier les grandeurs les grandeurs physiques

X X X

CI 4- Modéliser les systèmes linéaires continus et invariants

X

CI 5- Déterminer les réponses temporelles et fréquentielles X

CI 6- Analyser le schéma bloc et déterminer les fonctions de transfert X

CI 7- Renseigner les paramètres d’un modèle de comportement X

CI 8- Paramétrer les mouvements d’un solide indéformable. X

CI 9- Modéliser les mouvements en cinématique plane ;

CI 10- Mettre en œuvre une démarche de résolution analytique

CI 11- Identifier les paramètres à partir d’une réponse indicielle X

CI 12- Identifier les paramètres à partir d’une réponse fréquentielle X


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Exploitation pédagogique pour CPGE - PCSI



A1 –

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CI 1- Présenter et interpréter l’évolution temporelle d’un système

CI 2- Caractériser les grandeurs physiques relatives à la matière, à l’énergie et à l’information d’un système pluritechnologique

CI 3- Proposer un modèle de connaissance et de comportement cinématique d’un système X X X

CI 4- Proposer un modèle de connaissance et de comportement mécanique d’un système X X X

CI 5- Proposer un modèle de connaissance et de comportement des liaisons mécaniques d’un système

X X X

CI 6- Proposer un modèle de connaissance et de comportement d’un système logique

CI 7- Proposer un modèle de connaissance et de comportement d’un système à événements discrets

CI 8- Proposer un modèle de connaissance et de comportement d’un système à structure algorithmique

CI 9- Procéder une modélisation destinée à la mise en œuvre d'une démarche de résolution analytique

CI 10- Procéder à la mise en œuvre d'une démarche de résolution numérique pour vérifier les performances d’un système

CI 11- Proposer, justifier et mettre en œuvre un protocole expérimental pour valider un modèle de comportement

;

CI 12- Concevoir la modification d’un paramètre pour faire évoluer le comportement d’un système


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE

Exploitation pédagogique pour CPGE-PCSI




Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Exploitation pédagogique pour CPGE - PSI



A1 –

Ide

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A2 –

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CI 1- Analyser la réversibilité d’une chaîne d’énergie

X

CI 2- Identifier et caractériser les grandeurs physiques associées à la transmission de puissance

CI 3- Proposer un modèle de connaissance associé aux composants des chaines d’énergie et d’information

CI 4- Linéariser un système non linéaire X

CI 5- Proposer un modèle de comportement d’un système mécanique

CI 6- Vérifier la cohérence d’un modèle par rapport aux résultats d’expérimentation

CI 7- Valider un modèle déterminant la dynamique asymptotique du système

CI 8- Proposer une démarche de résolution appliquée à des chaines de solides

CI 9- Proposer une démarche de réglage d’un correcteur.

; X

CI 10- Analyser la stabilité d’un système linéaire continu et invariant

CI 11- Analyser la précision d’un système linéaire continu et invariant

X

CI 12- Mettre en œuvre une démarche de résolution analytique liée au comportement dynamique.


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE






A1 –

Ide

ntifier

le b

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les e

xig

ences

A2 –

Définir

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B1 –

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B2 –

Pro

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B3 –

Valid

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Pro

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dém

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D1

S'a

pp

rop

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fonction

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ystè

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chnolo

giq

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D2

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justifier

un

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tocole

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CI 1- Justifier le choix des constituants d’un système, identifier et interpréter les modèles associés

CI 2- Identifier quantifier et interpréter les écarts entre les performances mesurées, simulées et attendues.

x

CI 3- Apprécier la pertinence et la validité des résultats mesurés ou/et simulés

CI 4- Choisir et présenter un modèle adapté au problème posé et déterminer les grandeurs influentes;

x x

CI 5- Proposer un modèle de connaissance et de comportement mécanique d’un système

CI 6- Mettre en œuvre une démarche de résolution analytique liée au comportement cinématique.

CI 7- Mettre en œuvre une démarche de résolution numérique pour simuler un système

CI 8- S’approprier le fonctionnement d’un système pluritechnologique

x

CI 9- Proposer, justifier et mettre en œuvre un protocole expérimental

CI 10- Générer un programme et l’implanter

CI 11- Concevoir une architecture fonctionnelle et proposer les constituants

;

CI 12- Concevoir la correction d’un système asservi


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE





Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Exploitation pédagogique pour CPGE - PTSI


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Exploitation pédagogique pour CPGE - PT


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




La Tourelle motorisée est constituée de 2 Axes, le Pan (axe vertical) et le Tilt (Axe horizontal). Les 2 motoréducteurs sont identiques.

Tilt

Pan


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Schémas cinématiques Tilt

Pignon de sortie du motoréducteur

Pan

Socle

Pignon de sortie du motoréducteur

Motoréducteur Tilt

Motoréducteur Pan

Lié à l’ensemble Pan, Tilt et smartphone

Socle

Tilt

Pan

Pignon sortie motoréducteur

Pignon sortie motoréducteur

Smartphone

Socle


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Un codeur (4*600 points) est accouplé à la sortie de l’axe du Pan. Un interrupteur est mis en place pour détecter les fins de courses. Il est activé par une excroissance de l’accouplement.

Interrupteur

Accouplement Codeur

Excroissance


Télécommande Radio

Circuit de commande et de communication


Ne pouvant pas avoir accès au programme et aux fonctionnalités de la carte électronique industrielle, celle-ci est remplacée par une carte Arduino et une carte d’interface codeur/interrupteur et driver moteur développée spécifiquement

Carte Arduino

Carte d’interface, interrupteur, interface Bluetooth, afficheur graphique, codeur et driver moteur (développement spécifique)

Tourelle motorisée 2 Axes initiale

Tourelle motorisée 2 Axes didactisée

Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE





La tourelle est pilotée en liaison filaire en USB par l’ordinateur sur lequel est installée une IHM programmée avec la plateforme de développement MyViz.

Liaison filaire en USB IHM MyViz

Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Architecture du programme informatique qui permet de créer et d’exécuter des programmes Python

Tableau de bord MyViz pour la réalisation des essais

Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Tourelle

Serveur de Websocket

Classe WSHandler

dans le fichier

websocket_communication.py

API

Classe Tourelle_API

dans le fichier

API.py Websocket (consignes + télémétrie)

Tourelle_Vx.y.ino

Liaison série (Consignes +

Télémétrie)

Interface graphique

(HTML, Javascript)

Asservissements

Fichier

Asservissement_Vitesse.py

Communication série

Classe arduino_serial

dans le fichier arduino_serial.py

Websocket (consignes)

Échange de variables

Échange de variables


Zoom sur l’IHM de pilotage

L’IHM permet de réaliser 3 essais avec des valeurs différentes du correcteur PID et d’afficher en superposition les courbes correspondantes.

Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Concept de l’Asservissement de vitesse Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE

Schéma de l’asservissement de vitesse

Fonction de transfert du PID :




Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE


Concept de l’Asservissement de vitesse


Fonctionnement de la boucle d’asservissement

• La vitesse de rotation souhaitée est envoyée par le tableau de bord MyViz et récupérée dans le programme Python de calcul des asservissements

• La vitesse de rotation réelle est calculée de la façon suivante :

◦ La carte Arduino Mega intégrée à la tourelle compte le nombre d’impulsions générées par le codeur pendant les 20 ms écoulées

◦ Le programme Python de calcul des asservissements récupère ce nombre (via sa connexion série avec la carte Arduino) et calcule la vitesse (toutes les 20 ms)

• ...


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE


Concept de l’Asservissement de vitesse


Fonctionnement de la boucle d’asservissement (suite)

• L’écart entre les vitesses souhaitée et mesurée est traité par le régulateur PID mis en œuvre dans le programme Python de calcul des asservissements. Le résultat du calcul est la tension de commande du moteur

• Cette tension est convertie en rapport cyclique (%) du signal PWM de commande du

hacheur pilotant le moteur. Cette valeur est envoyée par la liaison série à la carte Arduino

• La carte Arduino récupère cette valeur et l’envoie au hacheur

• Le moteur reçoit la tension modulée qui le met en mouvement afin de tourner à la vitesse

souhaitée


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE


Essais de caractérisation de l’Asservissement de vitesse

Essais de caractérisation de l’asservissement (consigne/modélisé /réalisé)


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Résultats pour différentes amplitude de consigne de vitesse


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Intérêt d’un asservissement


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Réglage de Kp


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Réglage de Ki


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Réglage de Kd


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Intérêt de Kd


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Simulation


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Simulateur Scilab / Xcos pour réglage de la boucle d’asservissement

Deux types de simulateurs

Simulateur temps-réel complet avec visualisation 3D pour la comparaison avec la tourelle réelle


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE





Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Caractéristiques et intérêts de ce type de simulateur

• Modèle linéaire simplifié n’intégrant pas les logiques de fonctionnement, les butées mécaniques et le mouvement de tilt

• C’est un modèle utilisé classiquement par les automaticiens pour le réglage des asservissements • Il permet d’analyser la stabilité de la boucle fermée, les performances temporelles et de vérifier

dans un environnement de simulation adapté que les réglages déterminés par l’outil de conception sont bons



Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



Caractéristiques et intérêts de ce type de simulateur

• Modèle complet représentant le mieux possible le vrai système (comprend les butées, les logiques de fonctionnement, le mouvement de tilt, la quantification due au codeur incrémental,…), exécuté en temps-réel (code C compilé)

• Permet de comparer très facilement les courbes acquises dans les deux modes (réel et simulation) dans des conditions d’exécution strictement identiques

• Comparaisons « visuelles » très faciles avec l’animation 3D • Paramètres physiques sont modifiables afin d’étudier leur influence sur les résultats • Etude aisée de la dégradation de performance des asservissements sur des cas impossibles à

tester dans la réalité (augmentation ou diminution des frottements par exemple)

Simulateur temps-réel complet avec visualisation 3D


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Interface identique à celle de la tourelle réelle


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Modification facile des paramètres physiques


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE




Comparaison facile entre la tourelle réelle et la tourelle simulée


Sommaire



De quoi s’agit-il







STI2D

CPGE



La tourelle associée à ses modèles de simulation permet de reproduire une démarche de

conception industrielle

• Le simulateur simplifié sous Scilab / Xcos permet de régler le correcteur dans un monde linéaire simplifié parfaitement adapté à cette tâche

• La simulation temps-réel complète permet de valider les différentes logiques de fonctionnement sur un modèle très réaliste avant de les implémenter sur le système réel

• Elle permet aussi de mesurer très facilement les écarts avec le monde réel et d’adapter les réglages des asservissements en conséquence

• L’analyse de ces écarts permet également d’affiner la connaissance des caractéristiques physiques du système réel afin d’améliorer le modèle et de le rendre encore plus fidèle

Simulation: synthèse

tourelle motorisée 2 axes ce webinar présente

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