Université du Québec en Outaouais Département d'informatique et d'ingénierie
Sigle : GEN1533  Gr. 01
Titre : Acquisition et contrôle numérique
Session : Hiver 2016  Horaire et local
Professeur : Bennai, Mustapha
1. Description du cours paraissant à l'annuaire :

Objectifs

Au terme de cette activité, l'étudiant(e) sera en mesure de : concevoir et analyser le comportement d'une chaîne complète d'acquisition et de traitement numérique de données.

Contenu

Spécificités et exemples de systèmes numériques. Architecture d'un système d'acquisition de données : échantillonneurs/bloqueurs, convertisseurs A/N et N/A, multiplexeurs, interfaces séries et parallèles, bus industriels, mise en mémoire, filtrage, linéarité. Isolation des circuits de puissance. Cartes et logiciels d'acquisition de données. Méthodes et algorithmes de traitement de données numériques. Cartes DSP. Traitement de signaux 1-D et 2-D. Linéarisation du signal. Filtrage du bruit. L'acquisition, le traitement et l'interprétation d'images. Traitement massivement parallèle. Introduction au traitement par réseaux neuronaux. Contrôle numérique. Filtres numériques PID. L'impact de la fréquence d'échantillonnage sur la performance de systèmes numériques de commande automatique. Projet de conception d'un système de commande numérique.
2. Objectifs spécifiques du cours :
  1. La présentation et l'analyse de l'architecture générale d'un système d'acquisition de données.
  2. Analyser les différents blocs fonctionnels (capteur, actuateur, conditionneur, convertisseur des données, processeur numérique) d'une chaîne d'acquisition.
  3. L'introduction aux méthodes d'analyse et de synthèse de systèmes échantillonnés linéaires.
  4. La présentation de capteurs et de l'instrumentation industrielle.
  5. L'introduction à la commande numérique des systèmes.
  6. Analyse des performances d'un système de contrôle numérique.
  7. Techniques d'amélioration des performances des systèmes de contrôles numérique.
  8. Langages et outils informatiques les plus répandus dans l'industrie du contrôle.
  9. La présentation des méthodes de la conception de systèmes de la commande numérique.
  10. L'analyse de l'algorithme numérique PID; la conception du correcteur PID.
  11. Introduction la commande moderne.
  12. Introduction à la sûreté de fonctionnement des systèmes de commandes modernes.
  13. Préparer l'étudiant à l'application de méthodes étudiées et à la synthèse des systèmes de contrôle numérique.

Le cours couvre 5 des 12 qualités requises des diplômés telles que définies dans les normes d'agrément des programmes de génie au Canada (http://www.engineerscanada.ca/fr/ressources-en-matiere-dagrement)

  • Qualité 1 : Connaissance en génie
  • Qualité 2 : Analyse de problème
  • Qualité 3 : Investigation
  • Qualité 4 : Conception
  • Qualité 5 : Utilisation d'outils d'ingénierie

Les qualités 3, 4 et 5 sont mesurées dans ce cours pour fins de rétroaction.

Objectifs spécifiques Qualité Indicateurs Introduit Développé Appliqué
Capacité à trouver l'information nécessaire à la conception et à la réalisation de projets. Capacité à évaluer le degré de succès du projet et à identifier les possibles améliorations nécessaires.
3
2 - Mettre en œuvre des investigations documentaires, des expériences et/ou des prototypes.
x
3 - Faire une analyse critique des résultats pour parvenir à des conclusions et en évaluer la validité.
x
Capacité à générer de multiples solutions basés sur des approches conceptuelles différentes. Identifier le concept le plus approprié qui répond aux critères de conception préétablis.
4
2 - Produire et comparer différentes solutions possibles afin de sélectionner le meilleur concept.
x
Être capable de mettre en exergue les limites des outils utilisés et surtout de les prendre en compte dans l'analyse des résultats obtenus.
5
3 - Analyser les limites liées aux outils techniques de mesure, modèles ou simulations au regard des résultats obtenus.
x
3. Stratégies pédagogiques :
Les formules pédagogiques suivantes seront utilisées :
  • Les connaissances seront présentées sous forme de cours magistral et d'exemples.
  • Les devoirs permettront de comprendre les différents concepts ; ils exigeront la connaissance des notions théoriques, une certaine capacité de travail et d'analyse critique.
  • Les séances de laboratoires permettront de mettre en pratique les concepts étudiés dans le cours didactique et rehausser ainsi la compréhension du comportement d'une chaîne complète d'acquisition et de traitement numérique de données.
  • Un projet avec réalisation pratique portant sur une étude et analyse d'un système d'acquisition et de contrôle de données. Cette étude comprendra :
    1. -La conception et la soumission d'idées
      -Une rédaction d'un rapport d'avancement du projet
      -L'implémentation
      -Une rédaction d'un rapport final
      -Une présentation du projet en classe
  • Examen de mi-session
  • Examen final

Les travaux pratiques doivent être préparés par l'étudiant avant la séance. Les rapports préliminaires comportant les résultats seront remis à la fin de la séance. Un rapport final est à remettre une semaine après la séance de laboratoire. Le responsable de laboratoire fournira de l'aide uniquement pour l'utilisation des outils.

Prérequis au cours : GEN1223.

Une page web sera créée pour ce cours (voir ci-dessous) et servira, avec le courrier électronique, de principal moyen de communication entre l'enseignant et les étudiants. La consultation régulière de la page est de la responsabilité de l'étudiant.

4. Heures de disponibilité ou modalités pour rendez-vous :
Disponibilité tous les mardis, après le cours, à mon bureau (sur demande), sinon je suis toujours disponible par courriel.
5. Plan détaillé du cours sur NaN semaines :
Semaine Thèmes Dates
1    Présentation du plan de cours

Chapitre 1 : Introduction

  • Numérique versus Analogique
  • Concepts de base d'acquisition de données
  • Spécificités et exemples de systèmes numériques
  • Rappel de notions mathématiques
12 jan. 2016 
2    Chapitre 2 : Architecture de systèmes d'acquisition de données
  • Architecture typique d'un système d'acquisition de données
  • Les éléments de l'architecture: échantillonneur/bloqueur, convertisseurs A/N et N/A, multiplexeurs, interfaces séries et parallèles, bus industriels.
  • Interruptions
  • Cartes et logiciels d'acquisition de données
  • Cartes DSP
  • Le monde de la puissance. Isolation et adaptation
Travaux pratiques en laboratoire 1 : Le 21 janvier 2016

Choix de groupes de travail et description du projet

19 jan. 2016 
3    Chapitre 3 : Traitement de signaux de mesure
  • Représentation et interprétation des signaux de mesure
  • Opérations de base: Mise en forme du signal, filtrage, linéarisation du signal, immunité au bruit, filtrage du bruit
  • Caractéristiques métrologiques de capteurs de mesure
  • Capteurs intelligents
Énoncé devoir 1
26 jan. 2016 
4    Chapitre 4 : Contrôle numérique - Introduction
  • Rappels sur la représentation des systèmes échantillonnés
  • Représentation par fonction de transfert et par équations aux différences
  • Représentation des systèmes à retard. Pôles et zéros dans le plan z
  • Relations avec les systèmes à temps continu
  • Analyse des systèmes échantillonnés: Stabilité des systèmes linéaires de contrôle numérique
  • Méthodes algébriques d'étude de la stabilité
  • Réponse fréquentielle d'un système discret
  • Méthode de la transformée en w
  • Construction du lieu d'Evans
  • Comportement en régime transitoire
  • Précision des systèmes discrets

Travaux pratiques en laboratoire 2 : Le 4 février 2016

02 fév. 2016 
5    Chapitre 4 : Contrôle numérique - Suite
  • Techniques d'amélioration des performances des systèmes de contrôle numérique
  • Impact de la fréquence d'échantillonnage sur la performance de systèmes de commande automatique
  • Exemples pratiques
Travaux pratiques en laboratoire 3 : Le 11 février 2016
09 fév. 2016 
6    Chapitre 4 : Contrôle numérique - Suite
  • Synthèse des correcteurs numériques
    • Méthodes de synthèse des correcteurs numériques
    • Réalisations logicielles des correcteurs numériques
    • Filtres numériques PID
    • Versions améliorées de l'algorithme PID
Remise devoir 1 et Énoncé devoir 2
16 fév. 2016 
7    Chapitre 5 : Synthèse de systèmes de contrôle numérique; méthodes de transposition et fréquentielles
  • Méthodes de transposition. Transformation homographique
  • Exemples pratiques
  • Synthèse d'un correcteur numérique série par méthodes fréquentielles
  • Procédure de la conception dans le plan de w. Performance de systèmes de contrôle numérique

Travaux pratiques en laboratoire 4 : Le 25 mars 2016

23 fév. 2016 
8    Semaine d'études 01 mars 2016 
9    Examen mi-session 08 mars 2016 
10    Chapitre 6 : Correction numérique par placement de pôles et Conception de systèmes de commande numérique dans l'espace d'état
  • Comportement en régime transitoire
  • Précision des systèmes discrets
  • Méthode du lieu des racines
  • Construction pratique du lieu d'Evans
  • Méthodes analytiques de synthèse
  • Le régulateur RST
  • Synthèse de la loi de commande RST
  • Introduction, description de systèmes dans l'espace d'état
  • Observabilité et commandabilité de systèmes
  • Conception et analyse du contrôleur
15 mars 2016 
11    Chapitre 7 : Langages et environnement informatiques les plus répandus dans l'industrie du contrôle
  • Développement basé sur le modèle
  • Langages synchrones
  • Langages en temps réel

Travaux pratiques en laboratoire 5 : Le 24 mars 2016

22 mars 2016 
12    Chapitre 8 : Commande moderne : En temps réel, commande intelligente et introduction aux systèmes embarqués
  • Sûreté de fonctionnement des systèmes de contrôle numérique dans des applications critiques (transport, nucléaire et biomédical
  • Introduction au contrôle adaptatif
  • Introduction au contrôle prédictif
  • Architecture des systèmes embarqués
  • Spécificités des systèmes embarqués
  • Exemples
29 mars 2016 
13    Chapitre 9: Programmation des systèmes de contrôle numérique tolérants aux fautes
  • Comportement en régime transitoire
  • Précision des systèmes discrets
  • Méthode du lieu des racines
  • Notion de programmation défensive
  • Comment assurer la sûreté de fonctionnement ?
  • Les étapes de la tolérance aux fautes
  • Les techniques de la tolérance aux fautes
  • La redondance
  • Traitement des erreurs
  • Techniques logicielles statiques de tolérance aux fautes
  • Exemple : Ariane 501

Remise Devoir 2

05 avr. 2016 
14    Remise du rapport final du projet et présentation : Le 12 avril 2016 12 avr. 2016 
15    Examen final 19 avr. 2016 
6. Évaluation du cours :

L'étudiant(e) doit obtenir 50 % des points des deux examens et 50% des points des devoirs et travaux pratiques pour réussir le cours.

Outils d'évaluation Pondération Indicateurs mesurés
Travaux pratiques
20 %
5.3 et 3.3
Devoir 1
5 %
Devoir 2
5 %
Projet
30%
3.2-4.2
Examen mi-session
15 %
Examen final
25 %

Par indicateur mesuré, on entend qu'à la fin du cours, un niveau de performance (0, 1, 2, 3) est donné pour chaque indicateur et pour chaque étudiant selon la grille ci-dessous:

Indicateurs Niveau 0 Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3
3.2 - Mettre en œuvre des investigations documentaires, des expériences et/ou des prototypes.
Moins de 52 %
Entre 52 % et 63 %
Entre 64 % et 83 %
Plus de 84 %
3.3 - Faire une analyse critique des résultats pour parvenir à des conclusions et en évaluer la validité.
Choix du modèle et analyse inacceptable
Choix du modèle acceptable, mais analyse partielle
Choix du modèle acceptable et analyse adéquats
Choix du modèle et analyse remarquables
4.2 - Produire et comparer différentes solutions possibles afin de sélectionner le meilleur concept.
Utilisation inadéquate ou inexistante
Utilisation partielle
Utilisation adéquate
Utilisation remarquable
5.3 - Analyser les limites liées aux outils, techniques de mesure, modèles ou simulations au regard des résultats obtenus.
Incapable de faire le travail individuel sans assistance
Fait le travail individuel avec peu d'assistance
Fait le travail individuel sans assistance
Fait le travail individuel de façon remarquable sans assistance
7. Politiques départementales et institutionnelles :
8. Principales références :
  1. E. Godoy, É. Ostertag, Commande numérique des systèmes, Ellipse, 2003
  2. Modern Control Systems, 12th edition, Richard C Dorf, Robert H. Bishop, Prentice Hall, 2011
  3. Modern Control Engineering, 5/E, Katshuhiko Ogata, Prentice Hall, 2010
  4. K. Ogata, Descrete - Time Control Systems, 2E, Prentice Hall, 1995
  5. B.C. Kuo, Digital Control Systems, Oxford University Press
  6. R. Longchamp, Commande numérique de systèmes dynamiques, Presses polytechniques et universitaires romandes, 1995
  7. F. Gottet, Traitement des signaux et acquisition de données, Dunod, 2009
  8. G. Asch et collaborateurs, Les capteurs en instrumentation industrielle, Dunod, 1999
9. Page Web du cours :
https://moodle.uqo.ca