Chaîne d’énergie et chaîne d’information

1) Introduction & objectifs

Un système automatisé est structuré en deux chaînes complémentaires :

Chaîne d’énergie : fournit, convertit et transmet la puissance jusqu’à l’actionneur pour réaliser l’action.
Chaîne d’information : acquiert des mesures, traite la décision et commande l’action.

Ces chaînes sont indissociables : l’information pilote l’énergie ; l’énergie matérialise la décision.

2) Chaîne d’énergie — structure détaillée

De la source d’énergie à l’action mécanique sur le procédé.

Alimenter : distribution, protection, redressement, filtrage.
Convertir : élec→mécanique (moteurs DC/AC, brushless), élec→hydraulique (pompes), élec→thermique, etc.
Transmettre : courroie, chaîne, engrenage, réducteur, arbre, accouplement, vérin.
Agir : effectuer le mouvement/effort (translation/rotation).

Rendement global : \(\eta_g=\eta_{\text{conv}}\times \eta_{\text{trans}}\). Puissance utile \(P_u=\eta_g P_{\text{in}}\).

3) Chaîne d’information — structure détaillée

De la mesure à la commande envoyée à la chaîne d’énergie.

Acquérir : adaptation de signal, filtrage anti-bruit, échantillonnage, conversion A/N.
Traiter : logique combinatoire/séquentielle, algorithmes, asservissement (P/PI/PID).
Communiquer : protocoles (UART, I²C, SPI, CAN…), HMI, supervision.

La frontière info→énergie comporte des interfaces de puissance (drivers, variateurs).

4) Boucle d’asservissement & sécurité

En boucle fermée, l’erreur \(e(t)=C(t)-S(t)\) est utilisée pour corriger la commande et maintenir la sortie au niveau désiré.

Régulation de vitesse d’un convoyeur : tachymètre (acquérir) → µC (traiter) → variateur (commander) → moteur (agir).

Ajouter des sécurités : Arrêt d’Urgence (AU), fins de course, protections thermiques.

5) Simulateur — Rendement global & pertes

Puissance d’entrée \(P_{in}\) (W) Rendement conversion \(\eta_{\mathrm{conv}}\) (%) Rendement transmission \(\eta_{\mathrm{trans}}\) (%)

\( \eta_g = \) —

Puissance utile \(P_u=\) —

Pertes \(P_{\mathrm{per}}=\) —

Formules : \(\eta_g=\frac{\eta_1}{100}\cdot\frac{\eta_2}{100}\), \(P_u=\eta_g P_{in}\), \(P_{\mathrm{per}}=P_{in}-P_u\).

6) Tableau comparatif (mémo)

Aspect	Chaîne d’énergie	Chaîne d’information
Nature	Puissance	Signal (analog./num.)
But	Agir (mouvement/effort)	Décider/contrôler
Blocs	Alimenter–Convertir–Transmettre–Agir	Acquérir–Traiter–Communiquer
Éléments	Moteur, réducteur, vérin	Capteur, µC, bus
Grandeurs	V, I, P, N, C	Tension logique, données
Sécurité	Thermique, AU, protections	Fins de course, interverrouillage

7) Exercices (10) + solutions

1 — Classer des éléments

Classer : moteur DC, capteur IR, réducteur, automate, variateur.

Énergie : moteur, réducteur, variateur (interface puissance) ; Information : capteur IR, automate.

2 — Ordre des blocs d’énergie

Mettre dans l’ordre : Agir / Convertir / Alimenter / Transmettre.

Alimenter → Convertir → Transmettre → Agir.

3 — Rendement global

\(P_{in}=150\,\text{W}\), \(\eta_1=0{,}8\), \(\eta_2=0{,}85\). Calculer \(P_u\).

\(P_u=150\times0{,}8\times0{,}85=102\,\text{W}\).

4 — Boucle fermée

Pourquoi la mesure de sortie est-elle indispensable en régulation ?

Pour calculer l’erreur et corriger la commande (stabilité, précision, robustesse).

5 — Choix d’interface

Driver MOSFET : info ou énergie ? Justifier.

Frontière info→énergie : reçoit une commande logique et fournit puissance à l’actionneur.

6 — Pertes

Pour \(P_{in}=220\,\text{W}\) et \(P_u=170{,}5\,\text{W}\), calculer \(\eta\) et \(P_{\mathrm{per}}\).

\(\eta=170{,}5/220=0{,}775=77{,}5\%\). Pertes \(=49{,}5\,\text{W}\).

7 — Lecture schéma

Sur les figures, citer 1 élément par bloc (dans chaque chaîne).

Ex. Énergie : batterie, moteur, engrenages, arbre. Information : capteur, µC, UART/CAN.

8 — Exemple porte automatique

Décrire le cheminement complet de l’info et de l’énergie.

IR→µC→commande variateur→moteur→porte ; fin de course→µC (sécurité).

9 — Dimensionnement simple

Un réducteur 0,9, engrenages 0,95, moteur 0,88. \(\eta_g\) ?

\(\eta_g=0{,}9\times0{,}95\times0{,}88\simeq0{,}752=75{,}2\%\).

10 — Vrai/Faux

a) La chaîne d’énergie transporte des données.
b) La chaîne d’information agit mécaniquement.
c) Les deux chaînes sont nécessaires.

a) Faux ; b) Faux ; c) Vrai.