Introduction

Les systèmes asservis électro-hydrauliques sont de plus en plus utilisés dans les installations industrielles.

Ces systèmes qui convertissent l'énergie hydraulique (débit , pression) en énergie mécanique (vitesse, position, effort ) à partir de signaux électriques ayant un niveau de puissance particulièrement bas permettent une attaque directe à partir de circuits électroniques miniaturisés. Vers les années 30 l'électronique étant encore peu fiable, les asservissements purement hydrauliques avec détecteur d'écart mécanique ont fait leur apparition dans le domaine militaire. Aux alentours des années 50, OILGEAR introduit une électronique basée sur l'utilisation de transformateurs avec comparaison de signaux modulés (électronique AC), de nombreuses presses marchent d'ailleurs encore avec des régulations de toutes natures avec cette électronique. Environ 20 ans plus tard, l'apparition de l'amplificateur opérationnel très fiable, peu onéreux, d'utilisation aisée, a poussé les utilisateurs vers les systèmes asservis électro-hydrauliques.

Même s'ils sont parfois moins connus que les asservissements électriques les systèmes asservis électro-hydrauliques permettent de contrôler avec fidélité et précision la vitesse ou la position d'une charge et ceci pour des masses en mouvement pouvant être très importantes.

Les méthodes de correction des asservissements électro-hydrauliques sont maintenant mieux connues.
Elles permettent d'effectuer des bouclages vitesse, position ou même pression en toute sécurité en conservant un système stable et suffisamment amorti.

A puissance égale, les systèmes asservis électro-hydrauliques, particulièrement souples d'utilisation sont parfois plus rapides que les asservissements électriques, des temps de mise en vitesse de l'ordre de 0,1 s pouvant être obtenus avec les servopompes pour des équipements de forte puissance.

        Les domaines d'application les plus courants sont:

1.       Marine
Commande de treuil
Commande de gouvernail
Systèmes anti-roulis
Motorisation d'hélice à pas variable
Transfert a la mer
Générateur de houle etc...

2.       Secteur sidérurgique
Presses a filer et à former
Asservissement cylindre de laminoir
Entraînement de profileuse
Presse à injecter
Traitement des tôles (systèmes enroulage- déroulage)
Coupes en vol ou à l'arrêt.
Robot de manutention , transfert etc..

3.       Machine outils
Entraînement de broche à vitesse variable
Brocheuses verticales.

4.       Bancs d’essais
Bancs de fatigues
Essais de réducteur ou de dispositifs de freinage

 

5.       Automobile
Presse SMC
Presse de fonderie
Emboutissage

 

6.       Applications mobiles
Bien que encore peu répandu dans le domaine des travaux publics,
seulement 1% des 500000 vérins construits en France sont équipés d'une rétroaction), ce marché est appelé à un développement important en boucle ouverte avec valves à commande proportionnelle.

                 Un examen des systèmes électro-hydrauliques montrent que ceux-ci sont régis par 4 grands choix:

o        servovalves ou servopompes

o        vérins ou moteurs hydrauliques

o        charge inertielle, élastique ou mixte

o        asservissement position, vitesse, ou pression (force).

   On constate donc la richesse des possibilités offertes par ces systèmes (plus de 30 possibilités)
   D'autre part, de nombreuses variantes viennent enrichir les possibilités offertes:

o        Le choix entre servovalves et valves proportionnelles.

o        le choix de la servovalve pouvant être à 2, 3 ou 4 orifices

   o        la nature du vérin pouvant être à simple ou double effet

o        les charges à caractéristiques variables (essais d'éprouvette) ou particulières augmentent
               encore la diversité de ces contrôles de puissance

 

En pratique l'étude théorique montre que les systèmes vérins et moteurs hydrauliques sont régis par les mêmes fonctions de transfert l'étude des blocs fonctionnels étant pratiquement identiques. Dans ces deux cas l'analogie étant totale entre :

- la surface utile du vérin et la cylindrée par radian du moteur hydraulique
- la masse et l'inertie angulaire
- l'effort et le couple.

Egalement les servovalves 2 ou 3 orifices bien que d'une technologie différentes conduisent à des calculs de dimensionnements comparables, une seule voie étant en fait utilisée à l'encontre des servovalves 4 orifices (communément appelées servovalves 4 voies) et constituées en pratique de deux orifices égaux et réglables en série.

Ces similitudes facilitent heureusement l'étude de ces systèmes. Toutefois, un examen critique des méthodes d'asservissements linéaires appliquées aux asservissements électro-hydrauliques montre que les résultats théoriques obtenus dans le cas des servovalves sont affectés par la non-linéarité entre le débit et la perte de charge.  Q =K (P)^0,5

Heureusement les équipements à base de servopompes ne souffrent pas de cette approximation et de ce fait, les résultats les résultats pratiques sont proches des valeurs obtenus par le calcul

Pour ceux qui sont inquiets des développements mathématiques, faisant intervenir les équations différentielles, les nombres imaginaires et la transformée de LAPLACE, nous espérons que l'approche progressive et orientée sur les besoins particuliers de cette technique leur permettra d'assimiler ces notions.
 

1)  Positionnement en boucle fermée
Le bon vieux système de copiage adapté sur les machines outils 1^ère  génération est un des premiers servomécanisme  bouclé en position.
De nombreux contrôles OILGEAR adaptés sur les grosses pompes à débit variable fonctionnent d'ailleurs sur ce principe.

2) Vitesse en boucle ouverte
Si l'on remplace dans ce système le gabarit habituel par une petite came et que l'on supprime le bras de rétroaction, le lecteur comprendra que l'on est maintenant en boucle ouverte. Avec cette disposition on peut étudier le comportement harmonique en faisant tourner la came à vitesse variable.
Lorsque la came tourne lentement (faibles fréquences) le tiroir de la valve du palpeur étant ouvert plus longtemps, une plus grande quantité d'huile sera envoyée dans le cylindre provoquant une course importante (amplitude), à vitesse deux fois plus élevée l'amplitude sur la table est deux fois plus faible, pour s'annuler pratiquement à fréquence élevée.
La fréquence de coupure est celle pour laquelle la course sur la table est la même que celle du tiroir en boucle ouverte.
Un deuxième aspect important à remarquer est que le mouvement sur la table est en retard de phase sur le mouvement du tiroir (la table est déphasée de -90° par rapport au tiroir), en effet lorsque la came déplace le tiroir vers la droite, la table se déplace aussi vers la droite. Par contre lorsque le tiroir commence à se refermer en se déplaçant vers la gauche, la table continue à se déplacer vers la droite, sa vitesse s'annulant en position extrême droite lorsque le tiroir est fermé en position médiane.
En pratique on trouve que le déphasage  s'accentue relativement rapidement au delà de -90° pour les fréquence supérieures à la fréquence de coupure, en effet, la masse de la table n'est pas nulle et les phénomènes dus à la compressibilité du fluide commencent à intervenir. A la fréquence pour laquelle le mouvement de la table est déphasée de -180° par rapport au tiroir, on conçoit que l'on a atteint un régime de fonctionnement important si l'on remettait en place le bras de rétroaction puisque , pour cette fréquence particulière, la vitesse de la table est maximum dans un sens alors que le tiroir est dans une position qui devrait en toute logique provoquer une vitesse maximum sur la table dans la direction opposée, on dit que le système est en opposition de phase.
La théorie concernant la stabilité des systèmes asservis est basée sur les conditions devant être respectées à cette fréquence particulière appelée fréquence de résonance. Il est indispensable de respecter ces conditions de stabilité du fait que les oscillations spontanément engendrées et autoentretenues par le système à cette fréquence peuvent être dangereuses pour la mécanique (bruit important et risque de rupture par fatigue des éléments mécaniques)

3) Pression (ou effort)
Un raisonnement presque identique pourrait être tenu en immobilisant la table et en raccordant un capteur de pression sur la chambre principale du vérin. Avec une petite vanne et un gros vérin ayant des volumes d'huile importants on conçoit là aussi que si l'on s'intéresse à la pression donnée par le capteur de pression, celle-ci est aussi déphasée de -90° par rapport à la course du tiroir puisque du fait de la compressibilité du fluide, la pression augmente tant que le tiroir n'est pas revenu en position centrale, la sortie (pression) étant maximum lorsque l'entrée (course tiroir) est nulle. A l'encontre de l'asservissement position on verra que les effets dus à la masse et aux raideurs hydraulique et mécanique font intervenir une zone de fréquences critiques pouvant dans certains cas conduire l'utilisateur a choisir l'hydraulique proportionnelle pour le contrôle d'effort.
Mais n'anticipons pas .....  L'auteur vous souhaite une bonne lecture