Automatique et systèmes asservis

Un système en boucle ouverte exécute une commande sans vérifier le résultat : par exemple, un grille-pain chauffe pendant une durée fixe sans mesurer la couleur du pain. À l'inverse, un système asservi mesure en permanence la grandeur de sortie, la compare à la valeur souhaitée appelée consigne, puis corrige l'écart. C'est le principe de la boucle fermée, présent dans de nombreux objets du quotidien. Le régulateur de vitesse d'une voiture maintient la vitesse affichée même dans une montée en ajustant l'accélération. Cette capacité d'auto-correction rend le système plus précis face aux perturbations.

Une boucle d'asservissement s'organise autour de cinq blocs fonctionnels. Le capteur mesure la grandeur de sortie, par exemple un codeur incrémental pour la position d'un moteur. Le comparateur calcule l'écart entre la consigne et la mesure : cet écart, aussi appelé erreur, est envoyé au correcteur. Le correcteur élabore la commande adaptée pour réduire l'écart, puis l'actionneur agit sur le processus physique. Enfin, le processus produit la sortie qui est de nouveau mesurée, fermant ainsi la boucle. Chaque bloc a un rôle précis et une panne sur un seul bloc dégrade toute la régulation.

Le correcteur le plus simple est le correcteur proportionnel : il multiplie l'écart par un gain constant. Si le gain est trop faible, la correction est lente et l'écart reste important. Si le gain est trop fort, le système peut devenir instable et osciller autour de la consigne. Pour améliorer les performances, on ajoute une action intégrale qui mémorise les erreurs passées et annule l'erreur résiduelle. L'action dérivée, elle, anticipe les variations rapides de l'écart et freine les oscillations. Le réglage de ces trois actions est appelé réglage PID, très utilisé dans l'industrie.

Pour comparer des systèmes asservis, on observe leur réponse à un échelon de consigne, c'est-à-dire un changement brusque de la valeur demandée. La précision mesure l'écart final entre la sortie stabilisée et la consigne. La rapidité correspond au temps nécessaire pour atteindre la consigne, souvent quantifié par le temps de réponse à 5 %. La stabilité s'évalue par l'absence ou l'amortissement des oscillations. Un bon asservissement doit être précis, rapide et stable, mais ces trois critères peuvent être contradictoires. Par exemple, augmenter le gain améliore la rapidité mais risque de déstabiliser le système.