Cours : Systèmes automatisés

Composition d’un système automatisé

Les systèmes automatisés

Les systèmes automatisés font partie de notre quotidien et nous rendent de nombreux services. Ils peuvent être plus ou moins sophistiqués : cette même appellation peut désigner aussi bien un simple système de chauffage domestique que les nombreux dispositifs très complexes et sécurisés équipant les avions modernes.

Les systèmes automatisés se sont perfectionnés depuis les années 60. Les missions lunaires Apollo des années 1960 embarquaient déjà des systèmes de guidage informatisés. Dans les années 1980 l’Airbus A320 est le premier avion civil à être équipé de commandes de vol électriques en remplacement des câbles et commandes mécaniques. En 1983 le VAL (véhicule automatique léger) est mis en service à Lille. Il est le premier métro entièrement automatisé dont les rames sont dépourvues de conducteurs.

Définition

Système automatisé :

Un système automatisé est un appareil capable de prendre en compte des signaux et de produire en conséquence des actions prédéfinies de manière autonome.

Parmi les systèmes automatisés, on peut identifier les automates programmables et les systèmes informatiques embarqués, désignés également par l’acronyme SIE.

Les automates programmables sont plus fréquemment employés dans l’industrie et, de manière générale, sédentaires. Un SIE est un système automatisé nomade :

• son autonomie énergétique est donc importante ;
• il doit réagir en temps-réel ;
• ses dimensions doivent être optimisées car il se trouve généralement contenu dans un autre objet ;
• et la fiabilité de son fonctionnement devient primordiale lorsqu’il s’agit de la sécurité des individus.

À retenir

Un système automatisé est constitué de deux parties distinctes :

• la partie commande, qui traite des informations ;
• la partie opérative, composée de capteurs et d’actionneurs.

En faisant une analogie avec l’être humain :

• la partie commande désigne le cerveau ;
• la partie opérative désigne le corps, les capteurs étant nos sens et les actionneurs nos membres.

Nous allons commencer par présenter les capteurs et les actionneurs de la partie opérative, puis nous expliquerons comment la partie commande les contrôle.

Actionneurs

Les systèmes automatisés ont vocation à effectuer un certain nombre d’actions physiques : produire du mouvement, de la chaleur, du son, de la lumière, etc. Il existe de nombreux types d’actionneurs afin de répondre aux multiples besoins de manipulations physiques des systèmes automatisés.

Définition

Actionneur :

Un actionneur est un dispositif capable de produire une action physique.

Un actionneur a besoin d’une source d’énergie pour produire l’effet physique attendu.

Exemple

Un moteur de portail transforme l’électricité en mouvement.
Une électrovanne transforme un courant électrique en mouvements pour un dispositif régulant la circulation d’un fluide dans un circuit. Une ampoule transforme un courant électrique en signal lumineux.

Les actionneurs peuvent être de deux types : tout ou rien ou proportionnel.

Exemple

• Certaines électrovannes n’ont que deux états possibles : soit elles sont ouvertes, soit elles sont fermées.
• Le fluide circule ou non dans le circuit contrôlé par la vanne, sans possibilité d’agir sur son débit.
• D’autres types d’électrovannes peuvent être contrôlées plus finement afin de régler le degré d’ouverture et donc le débit du fluide.

Capteurs

Définition

Capteur :

Un capteur est un dispositif capable de détecter et de mesurer une ou plusieurs caractéristiques de son environnement.

Les capteurs détectent une grandeur physique et en fournissent une mesure ou un état (pour le tout ou rien).

Exemple

Une cellule photoélectrique détecte un faisceau lumineux (visible ou invisible) et le traduit en signal électrique.
Un capteur de position à effet Hall détecte un champ magnétique et le traduit en signal électrique.
Un détecteur infrarouge transforme le rayonnement électromagnétique infrarouge en signal électrique.

Les grandeurs mesurées peuvent être de différentes natures : température, pression, niveau, distance, vitesse, inertie, débit, courant, champ magnétique, son, lumière, etc.

Plusieurs types distincts de capteurs peuvent acquérir une mesure d’une grandeur donnée.

Exemple

La mesure d’une distance courte peut être effectuée avec un télémètre laser ou un télémètre à ultra-sons.

On caractérise également les capteurs en fonction de leur nécessité ou non d’être au contact pour effectuer leur mesure.

Exemple

Les thermomètres médicaux à base de sondes thermoélectriques requièrent un contact physique alors que les modèles infrarouges peuvent fonctionner à distance. Un capteur de niveau à flotteur a besoin d’être au contact du liquide qu’il mesure, mais un capteur à ultrasons mesure les distances avec les objets de son environnement sans être en contact direct avec eux.

Comme les actionneurs, certains capteurs sont de type « tout ou rien » : à la manière d’un interrupteur électrique, ils ne peuvent prendre que deux états, ouvert ou fermé, vrai ou faux, 1 ou 0.

• Les capteurs de ce type « tout ou rien » captent des informations logiques.

D’autres capteurs sont capables de mesurer des plages de valeurs : c’est le cas d’un accélérateur ou d’un débitmètre de voiture, ou encore de la manette des gaz d’un bateau ou d’un avion.

• Ces capteurs captent des informations analogiques.

D’autres capteurs captent des informations codées, qui ne prennent qu’un nombre fini de valeurs qui sont dites de type numérique.

À retenir

Il existe une grande diversité de capteurs, qui répondent à autant de cas d’usages dans tous les domaines de la vie et de l’activité humaine où des systèmes automatisés sont mis en place.

Le rôle des capteurs est d’alimenter le système automatisé en informations à partir desquelles des actionneurs pourront être déclenchés.

Exemple

Les systèmes d’alarme sont dotés de nombreux capteurs afin de pouvoir remonter des intrusions potentielles, comme les capteurs de contact, normalement ouverts ou normalement fermés (un contact normalement ouvert ouvre le circuit lorsqu’il est au repos et le ferme lorsqu’il est actionné, c’est l’inverse pour un contact normalement fermé).
Les systèmes d’alarme peuvent aussi reposer sur des capteurs de mouvements ou de vibration.

La partie opérative, composée des capteurs et des actionneurs, est pilotée par la partie commande qui régit le fonctionnement du système.

Commande

La partie commande est en charge du contrôle du système. Elle prend en compte les informations fournies par les capteurs et transmet des ordres aux actionneurs afin qu’ils effectuent des tâches selon des séquences ou cycles prédéfinis.

Certains systèmes automatisés sont très simples : leur intérêt réside dans leur capacité à reproduire de manière constante et fiable une tâche répétitive. D’autres, plus élaborés, sont capables d’adapter les ordres fournis en fonction du contexte.

Exemple

L’appui sur les boutons d’appel ou de cabine d’un ascenseur n’a généralement pas un effet immédiat, sauf s’il se trouve à l’arrêt à l’étage d’appel.

• Les boutons recueillent les demandes des utilisateurs. Les différents capteurs indiquent au système où se trouve la cabine, si elle se déplace, si les portes sont ouvertes ou fermées, si la cabine est ou non en surpoids.
• L’ascenseur déplace la cabine d’un étage à l’autre en fonction des appels passés aux différents étages et en fonction des étages de destination sélectionnés par les différents passagers de la cabine.
• C’est la partie commande qui détermine dans quel ordre traiter les demandes, et qui réorganise si nécessaire le séquencement des déplacements verticaux de l’ascenseur.

Fonctionnement d’ensemble

La partie commande se base sur les informations obtenues par les capteurs pour mettre en œuvre les cycles ou les séquences d’animation du système automatisé et piloter de manière appropriée les actionneurs.

Illustrons ce fonctionnement d’ensemble avec une barrière d’accès automobile : ce dispositif très courant permet de restreindre l’accès d’une zone aux seuls détenteurs d’un code ou d’une télécommande. La barrière se lève alors, le temps de laisser passer le véhicule, puis se referme.

Dans le système étudié la barrière d’accès peut s’ouvrir :

• de l’extérieur via l’emploi d’une télécommande sans fil ou via la saisie d’un code sur un clavier,
• de l’intérieur par détection magnétique d’un véhicule.

Le dispositif qui pilote le mouvement mécanique de barrière peut la faire monter et descendre, et aussi détecter quand la barrière arrive en butée en position haute ou en position basse.

Le système dispose de différents capteurs :

• un récepteur radio pour télécommande sans fil ;
• un clavier de type digicode pour saisie du code ;
• une boucle magnétique de détection de véhicule dans le sol côté intérieur ;
• des capteurs de fin de course détectant la position haute et la position basse de la barrière ;
• des barrières infrarouges de chaque côté de la barrière.

Avant d’amorcer la descente de la barrière pour refermer l’accès à la zone, le système de commande s’assure de l’absence de véhicule sous la barrière, en vérifiant que les faisceaux infrarouges situés de part et d’autre de celle-ci ne sont pas interrompus.

Il peut en effet arriver qu’un véhicule se soit arrêté, par exemple si le conducteur a calé, ou encore qu’un autre véhicule cherche à s’engager pour entrer ou sortir alors que la barrière a amorcé sa descente. Pour des raisons de sécurité, la barrière ne doit pas continuer à s’abaisser en pareil cas.

• Dès qu’une présence est détectée au niveau de la barrière d’accès par les capteurs infrarouges, le système doit commander l’arrêt immédiat de la descente de la barrière, et ensuite initier un nouveau cycle d’ouverture (levée de la barrière jusqu’à la verticale puis temporisation).

En revanche si la barrière est en train de se lever et qu’un faisceau infrarouge est coupé, il n’y a pas lieu d’interrompre le cycle, la barrière peut finir de se lever.

Ces scénarios de fonctionnement illustrent l’importance d’une bonne conception des systèmes automatisés, avec la prise en compte des cas d’usages normaux mais aussi de possibles incidents.

• En l’absence de contrôle manuel dans son fonctionnement usuel, un système automatisé doit privilégier la sécurité d’utilisation.

À retenir

Les systèmes automatisés sont capables de fonctionner sans intervention humaine pour effectuer des séquences ou des cycles de tâches. Ces tâches peuvent varier en fonction des détections effectuées par les capteurs, selon des modalités définies au niveau de la partie commande du système.

L’utilisateur dialogue avec un système automatisé par l’intermédiaire d’une ou plusieurs interfaces mises à sa disposition, appelées interfaces homme-machine, et que nous allons étudier maintenant.

Interfaces homme-machine

Les interfaces homme-machine peuvent revêtir des apparences très diverses. Elles peuvent être très simples ou beaucoup plus complexes : il suffit d’un bouton de télécommande pour piloter une porte de garage, mais c’est un peu plus élaboré pour le pilotage d’un avion.

Définition

Interface homme-machine :

Une interface homme-machine (également désignée par son acronyme IHM) est un dispositif destiné à permettre les échanges d’informations entre un utilisateur et un système automatisé.

Du simple pupitre doté de boutons et de voyants lumineux aux consoles dotées d’interfaces tactiles ou multiéléments, les interfaces partagent un même objectif : permettre le dialogue entre l’homme et la machine.

Rôle de l’interface homme-machine

L’interface permet au système automatisé de prendre en compte l’entrée des données fournies par l’utilisateur, et de fournir à ce dernier des informations sur les traitements effectués et les résultats obtenus ou en cours.

La qualité de conception de l’interface peut avoir une incidence sur la performance, la productivité, la sécurité et le confort d’utilisation du système. Les conséquences d’une interface homme-machine mal conçue peuvent s’avérer banales pour un distributeur de boissons mais bien plus sérieuses pour une centrale nucléaire ou un centre de contrôle aérien.

L’ergonomie de l’interface fait référence à son adaptation par rapport à l’opérateur :

• sur le plan physique : commandes faciles d’accès, adaptées au besoin et aisément manipulables par un être humain ;
• sur le plan cognitif : disposition, hiérarchisation et densité des informations mises à disposition.

L’interface doit être adaptée aux utilisateurs en fonction de leurs besoins de contrôle du système et de leurs capacités physiques et cognitives.

• Elle dépend donc du profil de l’utilisateur, de ses connaissances et de son expérience du système automatisé considéré.

Ainsi une machine-outil professionnelle dans un contexte industriel aura des contraintes ergonomiques différentes d’un système grand public tel qu’une borne d’accueil nocturne à l’entrée d’un hôtel.

Exemple

L’ergonomie du poste de pilotage d’un train ou d’un avion ne doit rien au hasard : l’emplacement de chaque commande ou instrument est rigoureusement étudié pour structurer et hiérarchiser les informations fournies. La nature des commandes répond à des critères cumulés d’utilisabilité et de sécurité.

• Les interrupteurs activant ou désactivant certains circuits sont recouverts d’une protection empêchant tout basculement accidentel.
• Des alarmes sonores ou visuelles peuvent retentir pour signaler des changements majeurs, comme la désactivation du pilote automatique d’un avion, ou le rapprochement du sol.

De même dans le domaine ferroviaire, un ensemble de contrôles est effectué périodiquement pour s’assurer que le conducteur d’un train est bien présent à son poste et actif. Si ce système de veille automatique ne détecte plus d’activité témoignant d’un conducteur conscient aux manettes, il déclenche une alerte dans le poste de pilotage, suivie en l’absence de réaction d’une procédure automatique d’arrêt d’urgence du train.

Ordinateurs

L’interface homme-machine a évolué avec le temps. Les premières cartes perforées ont fait leur apparition au XVII^e siècle. Utilisées dans toutes sortes d’automates comme les métiers à tisser ou les orgues de Barbarie, elles ont également été abondamment utilisées au début de l’informatique.

• C’est un système binaire de mémoire et de commande : les informations sont données par des points soit pleins soit percés.

L’arrivée des claviers, des imprimantes et des écrans a permis de moderniser les entrées et sorties de données dans nos échanges avec les ordinateurs.

Les premiers systèmes d’exploitation fonctionnaient uniquement en mode textuel, également appelé ligne de commande. Ce mode, suffisant pour bon nombre de professionnels, et encore très efficace pour de nombreux traitements de nos jours, rendait l’informatique peu accessible pour le grand public.

L’interface homme-machine a connu une évolution majeure dans les années 1980 avec l’apparition des interfaces graphiques, sous forme de fenêtres, de menus et d’icônes manipulables avec un pointeur.

Imaginées dans les années 1970 au centre de recherche californien de l’entreprise Xerox, les interfaces graphiques ont été introduites commercialement par Apple en 1983 avec ses ordinateurs Lisa en 1983 et surtout Macintosh en 1984. Elles ont ensuite été développées pour les environnements Unix sous le nom de X Window, notamment connu pour sa version X11, et par Microsoft qui développera avec succès différentes versions du système d’exploitation Windows.

À retenir

Les interfaces graphiques facilitent la prise en main et l’usage des ordinateurs par le grand public, et ont ainsi grandement contribué à l’essor de la micro-informatique familiale.

Elles ont également permis de montrer à l’utilisateur une représentation exacte de ce qu’il pouvait imprimer : cette faculté est résumée par l’acronyme anglais WYSIWYG pour « what you see is what you get », promesse de pouvoir obtenir un rendu identique à l’écran et sur papier. Considérée comme une évidence de nos jours, cette possibilité était révolutionnaire pour les utilisateurs des interfaces purement textuelles.

Enfin le modèle du lien hypertexte, développé au CERN dans les années 1990, donnera naissance à une nouvelle manière de parcourir des contenus et d’accéder facilement et simplement à des documents situés à différents endroits d’un réseau, et rapidement à son incarnation la plus connue : le World Wide Web.

L’ensemble de ces évolutions technologiques et ergonomiques a servi de socle pour le développement des interfaces de téléphones portables.

Téléphones portables

Dotés à l’origine de petits claviers et de petits écrans, les premiers téléphones portables étaient assez rudimentaires. Pour la rédaction de messages écrits, les téléphones proposaient des claviers multimodes permettant de saisir chiffres ou lettres au prix de laborieuses répétitions de touches.

• Le développement rapide de la téléphonie mobile a ensuite conduit à des évolutions majeures des interfaces.

Au tout début des années 2000, les téléphones intelligents BlackBerry proposent une avancée avec un véritable clavier alphabétique, un large écran, et la possibilité, novatrice pour l’époque, de recevoir ses courriels en mode push : l’utilisateur n’a plus besoin d’interroger périodiquement le serveur de message, celui-ci lui transmet automatiquement tout courriel entrant.

L’interface homme-machine des smartphones connaît ensuite une évolution majeure en 2007 avec l’arrivée de l’iPhone d’Apple, un téléphone dépourvu de clavier physique et doté en contrepartie d’un écran occupant toute la face avant. L’appareil est ainsi capable de présenter des interfaces spécifiques à chaque besoin applicatif, offrant une souplesse de fonctionnement inédite.

Les interfaces homme-machine sont indispensable pour nous permettre de dialoguer avec nos appareils électroniques. Elles sont également la partie visible de l’appareil, qui conditionne notre ressenti d’utilisateur en fonction de l’ergonomie de l’interface.

• La conception d’interfaces et d’expérience utilisateur est devenue un métier à part entière.