FORMATION ARDUINO MATLAB/SIMULINK Commande · PDF fileCHELLY Nizar CHARED Amine FORMATION ARDUINO↔MATLAB/SIMULINK Commande d’un système thermique à l’aide de la carte Arduino

CHELLY NizarCHARED Amine

FORMATION ARDUINO↔MATLAB/SIMULINK

Commande d’un système thermiqueà l’aide de la carte Arduino UNO

Hammamet 3/4 Mai 2014

TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES

Table des matières1 Présentation de la carte Arduino et l’environnement Matlab/Simulink 4

1.1 Le matériel : Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Le logiciel Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Structure d’un programme Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4 L’environnement Matlab/Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 L’interfacage Arduino↔Matlab/Simulink 62.1 Programmation de la carte Arduino Uno comme une carte d’interface . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.1 Configuration de la carte Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.2 Traitement des données sous Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 ArduinoIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.1 Pré-chargement du programme dans la carte Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.2 Installation du package ArduinoIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.3 Exploitation de la bibliothèque ArduinoIO sous Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.4 Exploitation du package ArduinoIO sous Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 Arduino Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 Acquisition des données 103.1 Présentation du ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2 Acquisition des données : Capteur de distance Ultrason HC-SR04 . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2.1 Présentation du module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2.2 Branchement avec la carte Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2.3 Exploitation de Instrument Control Toolbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.3 Acquisition des données : Capteur de température LM35 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.3.1 Présentation du capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.3.2 Branchement avec la carte Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.3.3 Exploitation du package ArduinoIO Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.3.4 Exploitation de Instrument Control Toolbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4 Envoie des données 154.1 Présentation des sorties analogiques (mode PWM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.2 Commande PWM d’un moteur à courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.2.1 Présentation du schéma électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.2.2 Exploitation du package ArduinoIO Libraray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.3 Commande d’une résistance chauffante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.3.1 Présentation du schéma électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.3.2 Exploitation du package ArduinoIO Libraray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

5 Présentation de la maquette 18

6 Modélisation du procédé thermique 196.1 Présentation de l’étape d’identification avec Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196.2 Acquisition de la réponse indicielle du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196.3 Détermination de la fonction de transfert G(z) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

7 Commande du procédé thermique 237.1 Synthèse du régulateur numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247.2 Implémentation de la commande sous Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267.3 Implémentation de la commande sur la carte Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

7.3.1 Le régulateur PID Numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287.3.2 L’implémentation du régulateur PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1

TABLE DES FIGURES TABLE DES FIGURES

Table des figures1 Description de la Carte Arduino "Uno" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 L’interface du logiciel Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Emplacement de la bibliothèque ”Instrument Control Toolbox” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Les blocs pour la communication série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Paramétrage des blocs pour la communication série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 ArduinoIO Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Les Blocs d’ArduinoIO nécessaires pour la commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Emplacement COM de la carte Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Type du CAN de la carte Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1010 Capteur de distance HC-SR04 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1111 Branchement du HC-SR04 avec la carte Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1112 Acquisition de la distance sous Instrument Control Toolbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1213 Capteur de température LM35 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1314 Branchement du Capteur LM35 avec Arduino UNO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1315 Acquisition de la température sous ArduinoIO Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1416 Acquisition de la température sous Instrument Control Toolbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1417 Description du signal PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1518 Exemles de variation du rapport cyclique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1519 Branchement de la carte Arduino UNO avec un moteur DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1620 Envoie de la commande PWM sous ArduinIO Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1621 Branchement de la carte Arduino UNO avec une lampe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1722 Envoie de la commande PWM sous ArduinIO Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1723 Branchement du procédé avec la carte Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1824 Une vue de la maquette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1825 L’utilisation de l’outil System Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1926 Modèle Simulink pour la détermination de la réponse indicielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1927 L’interface de l’outil System identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2028 Choix des types des données ”Time Domain Data” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2029 Saisie des données relatives aux Input et Output du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2130 Choix de la description du système à estimer”Tranfer Function” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2131 Choix du nombre des pôles et zéros de la fonction de transfert à estimer . . . . . . . . . . . . . . 2232 Visualisation du résultat de l’estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2233 Récupération de la fonction de transfert estimée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2334 Emplacement de l’outil PID tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2335 Interface de l’outil ”PID tuning” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2436 Importation du modèle estimé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2437 Interface de l’outil ”Import Linear System” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2538 Choix du régulateur à implémenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2539 Récupération des paramétrés du régulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2640 Synoptique de la boucle d’asservissement à implémenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2641 Modèle Simulink d’asservissement de température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2642 Saisie des paramétrés du régulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2743 Schéma synoptique de l’asservissement à implémenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2

Formation Arduino ↔ Matalab/Simulink Commande d’un système thermique

Formation Arduino⇔Matlab/Simulink

Commande d’un système thermique

CHELLY, NizarIngénieur en Électrique et [email protected]+216 50 48 00 27

CHARED, AmineIngénieur en [email protected]+216 50 02 33 70

Nizar CHELLY-Amine CHARED 3 Hammamet Mai 2014


1 Présentation de la carte Arduino et l’environnement Matlab/Si-mulink

Arduino est un projet créé par une équipe de développeurs, composée de six individus :Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, David Mellis et NicholasZambetti. Cette équipe a créé le "système Arduino". C’est un outil qui va permettre auxdébutants, amateurs ou professionnels de créer des systèmes électroniques plus ou moinscomplexes.

1.1 Le matériel : Arduino UNO

C’est un circuit imprimé comportant tous les composants électroniques nécessaires pour fairefonctionner un microcontrôleur (Atmega 328) associé à une interface USB lui permettant decommuniquer avec un ordinateur.

Figure 1 – Description de la Carte Arduino "Uno"

– Microcontroller : ATmega328– Operating Voltage : 5v– Input Voltage (recommended) : 7-12 v– Input Voltage (limits) : 6-20 v– DC Current per I/O Pin : 40mA– DC Current for 3.3V Pin :50mA– Flash Memory :32 KB– Clock Speed : 16MHz– Pins assignments :– Analog read(A0-A5)– Analog write[PWM] (3,5,6,9,10,11)– Digital read(2-19)– Digital write(2-19)

1.2 Le logiciel Arduino

Arduino IDE ( Integrated Development Environment ). Le logiciel est gratuit et open sourcedont la simplicité d’utilisation est remarquable.Ce logiciel va nous permettre de programmer la



carte Arduino pour :– Réaliser l’interfacage avec Matlab/simulink– Implémenter la commande directement sur la carte.

Figure 2 – L’interface du logiciel Arduino

1.3 Structure d’un programme Arduino

Le langage de programmation Arduino dérive du langage C++ et il en respecte les règles desyntaxe :1. Une ligne qui commence par "//" est considérée comme un commentaire.2. Un paragraphe qui commence par "/*" et qui se termine par "*/" est considéré comme un

commentaire3. Toute ligne d’instruction de code doit se terminer par un point virgule " ;"4. Un bloc d’instructions (définition d’une fonction, boucle "while" ou "if"/"else"...) doit être

délimité par des accolades ouvrantes "" puis fermantes "".5. Toutes les variables doivent être déclarées, ainsi que leur type (int,float,...) avant d’être

utilisées.Un programme (ou "sketch") Arduino est constitué de 2 fonctions distinctes :1. La fonction de configuration "void setup" exécutée une seule fois au lancement du pro-

gramme.2. La fonction "void loop" qui est ensuite exécutée indéfiniment en boucle.

Remarque :On peut relancer le programme en actionnant le bouton poussoir "reset" sur la carte.

Exemple : le programme "Blink" :



i n t DEL = 5 ;void setup ( )pinMode (DEL, OUTPUT) ;On i n i t i a l i s e l a borne 5 de l ’ Arduino( nomm e "DEL" ) comme une s o r t i e .void loop ( )d i g i t a lWr i t e (DEL, HIGH) ;On met l a borne 5 au niveaul og i que haut (+5V) : l a diode s ’ al lume .de lay (1000) ; On attend un d e l a i de 1000ms ( s o i t 1 s ) .d i g i t a lWr i t e (DEL, LOW) ;On met l a borne 5 au niveau l og i que bas (0V)l a diode s ’ teint .de lay (1000) ; On attend un d e l a i de 1000ms ( s o i t 1 s ) .Et ainsi de suite tant que le circuit est alimenté.

1.4 L’environnement Matlab/Simulink

C’est un logiciel de calcul mathématique pour les ingénieurs et les scientifiques créé parMathworks.

MATLAB est un environnement de programmation pour le développement d’algorithme,d’analyse de données, de visualisation, et de calcul numérique. En utilisant MATLAB, la ré-solution des problèmes de calcul complexes se fait plus rapidement qu’avec des langages deprogrammation traditionnels, tels que C, C++, et le Fortran.

SIMULINK est un environnement pour la simulation multidomaiane.Il fournit un environne-ment graphique interactif et un ensemble de bibliothèques de bloc qui permettent de concevoir,simuler, mettre en application, et examiner une variété de systèmes, tel que les systèmes de com-munications, de commandes, de traitement des signaux, de traitement visuel, et de traitementd’image.

2 L’interfacage Arduino↔Matlab/Simulink

Il existe trois possibilités d’interfacer la carte Arduino avec Matlab/Simulink, à savoir :1. Programmation de la carte Arduino Uno comme une carte d’interface.2. Utilisation du package ArduinoIO.3. Utilisation du package Arduino Target.

2.1 Programmation de la carte Arduino Uno comme une carte d’interface

Cette solution consiste d’une part à utiliser les fonctions offert par le language Arduino quipermet d’envoyer et d’acquérir des données binaires via le port série (USB) et d’autre part àdévelopper sous Simulink un programme pour traiter ou visualiser ces données.

2.1.1 Configuration de la carte Arduino UNO

Les fonctions Arduino permettant cette configuration sont les suivantes :– Serial : Cette fonction est utilisée pour la communication entre le la carte Arduino etun ordinateur ou un autre dispositifs.Toutes les cartes Arduino ont au moins un port



série (également connue sous le nom d’UART ou USART).Serial, communique sur les pins(0 :RX) et 1 :(TX)) avec l’ordinateur par l’intermédiaire d’USB.

– available() : Permet d’obtenir le nombre de bit (caractères) disponibles pour lire du portsérie.Ces données sont stockées dans le buffer qui peut sauvegarder 64 bit.

– read() : Permet la lecture des bits entrants sur le port série(acquisition des données).– write() : Permet l’écriture des bits sur le port série.(envoie des données)

Le programme suivant assure l’échange de données via le port série (USB) :i n t en t r e e ; // ent r e e CANin t s o r t i e ; // s o r t i evoid setup ( )S e r i a l . begin (9600) ;// ouvre l e port s e r i e , f i x e l e deb i t a 9600 baudspinMode (6 ,OUTPUT) ; // Conf igurat ion de l a pin 6 comme s o r t i evoid loop ( )ent r e e=analogRead (A0) ;// l e c t u r e du CAN ( va l eur ent r e 0 et 1024)S e r i a l . wr i t e ( en t r e e ) ; //Envoie de l a donnee sur l e port USBi f ( S e r i a l . a v a i l a b l e ( ) ) // s i des donnees en t rante s sont p r e s en t e s

s o r t i e=S e r i a l . read ( ) ; // l e c t u r e des donnees a r r i v e sanalogWrite (6 , s o r t i e ) ;// Trans f e r t de ce s d o n n e s sur l a pin 6pour genere r l e s i g n a l PWM

delay (100) ; // d e l a i de 100ms avant l a nouve l l e a c q u i s i t i o n

2.1.2 Traitement des données sous Simulink

La bibliothèque Instrument Control Toolbox offre les blocs qui permettent l’échange desdonnées binaires.

Figure 3 – Emplacement de la bibliothèque ”Instrument Control Toolbox”

Ces blocs sont les suivants :– Serial Configuration : Configuration des paramétrés du port série.– Serial Send : Envoie des données binaires via le port série.– Serial Receive : Acquisition des données binaires via le port série.

Les paramétrés à configurer sont :– Communication Port



Figure 4 – Les blocs pour la communication série

Figure 5 – Paramétrage des blocs pour la communication série

– Data size– Data type– Block sample time

– Exemple d’acquisition et d’envoie sous Simulink :

2.2 ArduinoIO

Cette solution consiste à utiliser la carte arduino comme une interface d’entrées(AnalogInput)/sorties(Analog/Digital Output).Ce package permet de communiquer Matlab ou Simulinkavec la carte Arduino via un câble USB.

Elle consiste à pré-charger un programme dans la carte Arduino afin que celle-ci fonctionneen serveur.Ce programme consiste à "écouter" les requêtes envoyées via la liaison série (USB) et de répondreà ces requêtes en renvoyant l’état d’une entrée ou en modifiant l’état d’une sortie. Ces mêmesentrées/sortie sont vues dans matlab comme des entrées logiques ou analogiques (utilisation duCAN) ou des sorties analogiques (mode PWM).

2.2.1 Pré-chargement du programme dans la carte Arduino

1. Télécharger le package ArduinoIO2. Décompresser à la racine de votre disque dur, exemple E :\arduinoio3. Ouvrir le dossier décompressé.4. Aller vers : ”ArduinoIO\pde\adiosrv” *5. Charger le fichier adiosrv.pde vers le logiciel Arduino.



6. Televerser !* adiosrv est l’abréviation de : Analog and Digital Input and Output Server for MATLAB.La carte Arduino UNO est maintenant configuré pour être utiliser comme une carte d’interfaceEntrées/Sorties.

2.2.2 Installation du package ArduinoIO

1. Lancer Matlab2013 et placer vous dans le répertoire E :\arduinoio2. Exécuter la commande : install-arduino3. Fermer et relancer Matlab puis Simulink4. Dans les bibliothèques se trouvent maintenant les blocs dans Arduino IO library.

Figure 6 – ArduinoIO Library

2.2.3 Exploitation de la bibliothèque ArduinoIO sous Simulink

Les blocs nécessaires pour notre objectif d’asservissement sont les suivants :

Figure 7 – Les Blocs d’ArduinoIO nécessaires pour la commande

– Real-Time Pacer : Ce bloc permet de ralentir le temps de simulation de sorte qu’ilsynchronise avec le temps réel écoulé.Le coeffecient de ralentissement est contrôlable parl’intermédiaire du paramètre Speedup.

– Arduino IO Setup : Pour configurer sur quel port la carte Arduino UNO est connectée.Pour cela il suffit de voir dans Gestionnaire des périphériques.voir Figure 4.

– Arduino Analog Read : Pour configurer à partir de quel pin [0,1,2,3,4,5] on va acquérirles données du capteur.

– Arduino Analog Write : Pour configurer à partir de quel pin [3,5,6,9,10,11] on va envoyerla commande en PWM vers l’actionneur.

2.2.4 Exploitation du package ArduinoIO sous Matlab

Le package ArduinoIO offre une panoplie de commandes permettant d’écrire un programmesous Matlab (M-file). Pour accéder à ces commandes il faut créer un objet arduino dans l’espacede travail et spécifier le port sur lequel la carte arduino est connecté avec la commande :

>> a = arduino(′port′); (1)



Figure 8 – Emplacement COM de la carte Arduino UNO

Parmi les commandes qui sont accessibles on retrouve :– pinModeExemple :a.pinMode(11,’output’) // configurer la pin 11 comme sortie.

– digitalReadExemple :val=a.digitalRead(4) ; // lecture de l’etat de la pin 4

– digitalWriteExemple :a.digitalWrite(13,0) ; // mettre la pin 13 à l’etat bas 0V

– analogReadExemple :val=a.analogRead(0) ; // lecture de la pin 0 de l’ADC

– analogWriteExemple :a.analogWrite(3,10) ; // envoyer sur la pin 10 un signal pwm de rapport cyclique10/255

2.3 Arduino Target

Embedded Coder Support Package for Arduino permet de créer des applications Simulinkqui vont fonctionner de façon autonome sur la carte Arduino. on dit que la carte Arduino estdevenue une cible (Target) et elle peut fonctionner d’une façon autonome (sans avoir recours àMatlab/Simulink).

Dans la suite, on utlisera les blocs Simulink offert par le package ArduinoIO Library et lalibrairie Instrument Control Toolbox pour l’acquisition et l’envoie des données.

3 Acquisition des données

3.1 Présentation du ADC

La carte Arduino Uno dispose de 6 entrées analogiques notées A0, A1,..A5 mais d’un seulconvertisseur analogique/numérique, la durée d’une conversion est de l’ordre de 100µs.Il a unerésolution de 10 bits. La donnée numérique qu’il fournit après conversion est donc compriseentre 0 et 1024.

Figure 9 – Type du CAN de la carte Arduino UNO



Il n’est pas nécessaire d’initialiser ces entrées analogiques qui n’ont que cette seule fonction.

La syntaxe de l’instruction permettant d’acquérir l’entrée analogique est la suivante :analogRead(pin) ;

– pin : la pin sur la quelle on souhaite acquérir le signal analogique.

3.2 Acquisition des données : Capteur de distance Ultrason HC-SR043.2.1 Présentation du module

Ce module dispose de 4 pins de sortie : VCC , TRIG, ECHO, GND . Les caractéristiquestechniques de ce module sont les suivantes :

– alimentation : 5V DC– Courant de repos : <2mA– Angle de mesure : <15°– Gamme de distance : 2cm – 500 cm– résolution : 0.3 cm

Figure 10 – Capteur de distance HC-SR04

Le processus de mesure de distance est le suivant : donner la pin "TRIG" une impulsion deniveau haut (5V) durant au moins 10µs et le module démarre sa lecture ; à la fin de la mesure,s’il détecte un objet devant lui, la pin "ECHO" passe au niveau haut (5V). Et , la distance oùse situe l’obstacle est proportionnelle à la durée de cette impulsion Il est donc très facile decalculer cette distance avec la formule suivante :

Distance = (Durée.du.niveau.haut)× vitesse.du.son : 340m/s2 (2)

3.2.2 Branchement avec la carte Arduino UNO

Figure 11 – Branchement du HC-SR04 avec la carte Arduino UNO



3.2.3 Exploitation de Instrument Control Toolbox

1. Pré-programmation de la carte Arduino UNO

#de f i n e echoPin 7 // Echo Pin#de f i n e t r i gP in 8 // Tr igger Pinlong duree , d i s t anc e ;void setup ( )S e r i a l . begin (9600) ;pinMode ( t r igP in , OUTPUT) ;pinMode ( echoPin , INPUT) ;

void loop ( )

//Envoyer l e s i g n a l sur l a pin 8d i g i t a lWr i t e ( t r i gP in , LOW) ;de layMicroseconds (2 ) ;d i g i t a lWr i t e ( t r i gP in , HIGH) ;de layMicroseconds (10) ;d i g i t a lWr i t e ( t r i gP in , LOW) ;// avo i r l a duree en msduree = pu l s e In ( echoPin , HIGH) ;// V i t e s s e du Son 340 m/ s// Ca l cu l e r l a d i s t anc e ( en cm)d i s t ance = ( duree /2)∗340∗0 .0001 ;// envo ie de l a donnee sur l e port s e r i eS e r i a l . wr i t e ( d i s t anc e ) ;// De la i de 50 ms avant l a nouve l l e a c q u i s i t i o nde lay (50) ;

2. Développement du modèle Simulink :

Il suffit d’utiliser les blocs offert par Instrument Control Toolbox.– Un bloc Serial Configuration– Un bloc Serial Receive– Un bloc Display ou Scope pour assurer la lecture de la distance en temps réel.

Figure 12 – Acquisition de la distance sous Instrument Control Toolbox



3.3 Acquisition des données : Capteur de température LM353.3.1 Présentation du capteur

Le LM35 fait partie des capteurs de température électroniques de précision en structureintégrée.

Figure 13 – Capteur de température LM35

D’après la fiche technique :

10mV → Co (3)

Autrement un volt correspond à 100 degrés Celsius.La lecture analogique d’un signal de 0 à 5V étant codée de 0 à 1023, on a la formule :

Temp = V olt ∗ (5/1023) ∗ 100; V olt.entre.(0et1023) (4)

3.3.2 Branchement avec la carte Arduino UNO

Pour exploiter le capteur LM35, il suffit :– D’alimenter les pattes VCC et GND– De brancher la patte centrale à une entrée analogique d’Arduino (A0,...,A5).

Figure 14 – Branchement du Capteur LM35 avec Arduino UNO

3.3.3 Exploitation du package ArduinoIO Library

1. Pré-chargement de adiosrv.pde sur la carte Arduino UNO2. Développement du modèle Simulink



Figure 15 – Acquisition de la température sous ArduinoIO Library

3.3.4 Exploitation de Instrument Control Toolbox

1. Pré-programmation de la carte Arduino UNO

in t temp ;void setup ( )

S e r i a l . begin (9600) ;

void loop ( )// l e c t u r e de l a donnee a p a r t i r du CAN ( va l eur ent r e 0 et 1023)

temp = analogRead (A0) ;// envo ie de l a donnee v ia l e port s e r i eS e r i a l . wr i t e ( temp ) ;// d e l a i de 1 s avant nouve l l e a c q u i s i t i o nde lay (1000) ;

2. Développement du modèle Simulink :

Le modele Simulink qui va traiter les données transmises à partir de la carte Arduino UNO.

Figure 16 – Acquisition de la température sous Instrument Control Toolbox



4 Envoie des données

4.1 Présentation des sorties analogiques (mode PWM)

La carte Arduino Uno dispose de 6 sorties (3,5,6,9,10 et 11) qui peuvent être utilisées enmode PWM, c’est-à-dire en modulation de largeur d’impulsion.Ce sont des signaux logiquesbinaires de fréquence constante (500Hz) mais de rapport cyclique variable.

Figure 17 – Description du signal PWM

Lorsqu’un moteur ou une lampe est alimenté par ce type de tension, tout se passe commesi il était alimenté par une tension continue ajustable entre 0V (rapport cyclique= 0) et 5V(rapport cyclique=255).Ces sorties doivent être initialisées comme des sorties digitales.

Vout = Vs ×τo

τc

; avec : τc = 2ms (5)

La syntaxe de l’instruction permettant de générer le signal PWM est la suivante :analogWrite(pin, valeur) ;– pin : la pin sur la quelle on souhaite envoyer le signal (3,5,6,9,10 ou 11).– valeur : le rapport cyclique entre 0 et 255.

Figure 18 – Exemles de variation du rapport cyclique



4.2 Commande PWM d’un moteur à courant continu

4.2.1 Présentation du schéma électronique

Le circuit électronique ci-dessous permet de contrôler un moteur à courant continue à partirdes sorties PWM de la carte Arduino. Ce circuit doit amplifier le courant de sortie de la carteArduino (40 mA) et doit aussi supporter la variation du rapport cyclique du signal PWM. Parmiles transistors pouvant satisfaire ces conditions on a choisit le TIP121.

Figure 19 – Branchement de la carte Arduino UNO avec un moteur DC

Les composants utilisés sont les suivants :

– Le transistor TIP121 : C’est un transistor Darlington NPN qui d’après la fiche techniquepermet d’amplifier le courant jusqu’à 5A avec son gain d’amplification ”au minimum”β = 1000 et supportant

– La diode 1N4004 : Dans une charge inductive (bobines), le courant ne peut pas se stopperinstantanément. Cette diode joue le rôle d’une diode de roue libre qui permet au courantde s’arrêter progressivement.

4.2.2 Exploitation du package ArduinoIO Libraray


Figure 20 – Envoie de la commande PWM sous ArduinIO Library



4.3 Commande d’une résistance chauffante

4.3.1 Présentation du schéma électronique

Le circuit électronique comporte :– Une lampe halogène 12V-35W– Une resistance 1kΩ– Un transistor TIP121

Figure 21 – Branchement de la carte Arduino UNO avec une lampe

L’utilisation de la commande PWM à partir de la carte Arduino permet de faire varier la tensionappliquée aux bornes de la lampe autrement ceci permet de contrôler l’intensité lumineuse de lalampe.

4.3.2 Exploitation du package ArduinoIO Libraray


Figure 22 – Envoie de la commande PWM sous ArduinIO Library



5 Présentation de la maquette

La maquette est constituée d’un capteur de température LM35 et une Lampe halogène 12V35W qui joue le rôle d’un élément chauffant.Le capteur et la lampe sont installés dans uneboite en bois avec un couvercle en plexiglass. Cette boite représente le système thermique àcommander. La figure suivante schématise la connexion de la carte Arduino UNO avec l’entréeet la sortie du système thermique.

Figure 23 – Branchement du procédé avec la carte Arduino

La figure ci dessous montre une vue réelle de la maquette utilisée.

Figure 24 – Une vue de la maquette



6 Modélisation du procédé thermique

Le but de cette partie est de déterminer la fonction de transfert échantillonnée de notreprocédé thermique en boucle ouvert notée G(z).L’entrée du système est la tension u(z) en voltset la sortie est la température T (z) de degré celsius.

6.1 Présentation de l’étape d’identification avec Matlab

Cette étape est constituée de deux parties. La première est assuré par l’environnementSimulink et le package ArduinoIO pour l’envoie et l’acquisition des données. La deuxième partieest assuré par l’outil System identification sous Matlab.

Figure 25 – L’utilisation de l’outil System Identification

6.2 Acquisition de la réponse indicielle du système

Plusieurs méthodes sont utilisées pour la modélisation d’un système comme la déterminationdes équations physiques du système, l’étude de la réponse d’un système à une entrée....etc.Dans notre cas on va identifier notre système en étudiant la réponse de notre système à échelonde tension.Le modèle Simulink permettant de réaliser l’acquisition de la réponse du système à un échelonde tension est le suivant :

Figure 26 – Modèle Simulink pour la détermination de la réponse indicielle



6.3 Détermination de la fonction de transfert G(z)

Après avoir déterminer la réponse du système, on passe à la détermination de la fonction detransfert G(z).1. Ouvrir l’outil System identification Tool

Figure 27 – L’interface de l’outil System identification

2. Cliquer sur import data et choisir Time domain data.

Figure 28 – Choix des types des données ”Time Domain Data”



3. Entrer le nom de la variable Input et la variable Output ainsi que tempsde starting time etsample time qu’on a utiliser lors de l’identification avec Simulink.Enfin cliquer sur Import.

Figure 29 – Saisie des données relatives aux Input et Output du système

4. Cliquer sur Estimate et choisir Transfer Function Models

Figure 30 – Choix de la description du système à estimer”Tranfer Function”



5. Entrer le nombre de pôle et de zéro et cliquer sur Discrete-Time ensuite cliquer sur Estimate.

Figure 31 – Choix du nombre des pôles et zéros de la fonction de transfert à estimer

6. Revenir à l’interface System Identification Tool et cliquer deux fois sur tf1.

Figure 32 – Visualisation du résultat de l’estimation



7. Une fenêtre apparait dans laquelle vous trouvez G(z).

Figure 33 – Récupération de la fonction de transfert estimée

7 Commande du procédé thermique

L’étape de la commande du procédé thermique est constituée de deux parties.La première partie consiste à utiliser l’outil Matlab PID Tuning pour déterminer les différentsparamétrés de notre régulateur PID à savoir Kp,Ki et KD en fonction de notre objectif decommande.La deuxième partie consiste à implémenter sur Simulink puis sur la carte Arduino le correcteurPID(z).

Figure 34 – Emplacement de l’outil PID tuning



7.1 Synthèse du régulateur numérique

1. Ouvrir l’outil PID Tuner

Figure 35 – Interface de l’outil ”PID tuning”

2. Cliqueur sur Import new plant, une nouvelle fenêtre apparait.

Figure 36 – Importation du modèle estimé



3. Une nouvelle fenêtre apparait dans laquelle vous allez sélectionner tf1 ensuite cliquer surimport puis close.

Figure 37 – Interface de l’outil ”Import Linear System”

4. Revenir à la fenêtre PID Tuner, vous pouvez choisir le type de régulateur à implémenter etles objectifs de la commande en boucle fermé et voir la réponse de la sotie du système.

Figure 38 – Choix du régulateur à implémenter



5. Cliquer sur la flèche de show parameter pour voir les paramétrés utilisés de votre régulateurainsi que les performances du système en boucle fermé.

Figure 39 – Récupération des paramétrés du régulateur

7.2 Implémentation de la commande sous Simulink

La boucle d’asservissement à implémenter sur Simulink se traduit par le schéma suivant :

Figure 40 – Synoptique de la boucle d’asservissement à implémenter

L’asservissement de notre procédé est assuré par le schéma Simulink ci-dessous qui regroupe laconsigne, le comparateur, le correcteur PID(z), le traitement de la température issue du capteuret l’envoie de la commande PWM.

Figure 41 – Modèle Simulink d’asservissement de température



L’appui deux fois sur le bloc PID(z) permet d’introduire les paramétrés Kp Ki Kd et deconfigurer le régulateur selon notre objectif de commande.

Figure 42 – Saisie des paramétrés du régulateur

7.3 Implémentation de la commande sur la carte Arduino

Dans cette partie on va utiliser les fonctions offert par Arduino pour envoyer (la commande)et acquérir (la température instantanée). L’implémentation du régulateur se fera directementsur la carte Arduino.

Figure 43 – Schéma synoptique de l’asservissement à implémenter



7.3.1 Le régulateur PID Numérique

Ce type de correcteur est défini par l’équation différentielle suivante :

UP ID(t) = Kp × e(t) +Ki ×∫ t

0e(τ)dτ +Kd ×

d

dte(t) (6)

L’équation de contrôle PID numérique peut être exprimée en de diverses manières, mais uneformulation générale est donnée par l’équation suivante [3] :

PID = Kp× erreur +Ki×∑

(erreur ×∆t) +Kd× (erreur − erreurprécédente)∆t (7)

L’implémentation du régulateur PID sur la carte Arduino se fera de la manière suivante [3] :PID :Error = Setpo int − ActualI n t e g r a l = In t e g r a l + ( Error ∗dt )Der iva t i ve = ( Error − Previous_error )/ dtDrive = ( Error ∗kP) + ( I n t e g r a l ∗kI ) + ( Der iva t i ve ∗kD)Prev ious_error = Errorwait ( dt )GOTO PID

7.3.2 L’implémentation du régulateur PID

Le code suivant permet d’implémenter le régulateur PID sur la carte Arduino.f l o a t de l ta_er reur=0 ;f l o a t somme_erreur = 0 ; // Somme des e r r e u r s pour l ’ i n t g r a t e u rf l o a t kp = 1.0886 ; // Co e f f i c i e n t p ropo r t i onne lf l o a t k i = 0.005317 ; // Co e f f i c i e n t i n t g r a t e u rf l o a t kd =0.27182 ; // Co e f f i c i e n t d r i v a t e u r

f l o a t ep , up , temp , u , e , i n t e g r a l , cmd ;f l o a t de r i v e ;

i n t cons igne ;

void setup ( ) S e r i a l . begin (9600) ;

void loop ( )temp=analogRead (0 ) ;temp=temp∗ 0.48828125 ;e=35−temp ;de l ta_er reur = ( e−ep )/0 . 5 ;somme_erreur=somme_erreur+e ∗0 .5 ;cmd = kp∗e + k i ∗somme_erreur + kd∗ de l ta_er reur ;analogWrite (6 ,cmd∗ (255/12)) ;ep=e ;de lay (500) ;// per i ode d ’ e chan t i l l o nag eS e r i a l . wr i t e ( analogRead (0 ) ) ; // envo ie de l a donnee sur l e port s e r i e

Il suffit d’exploiter la bibliothèque Instrument Control Toolbox pour la lecture de la tempéra-ture instantanée.



Références

[1] http ://www.mathworks.com/[2] http ://www.arduino.cc/[3] PID Control : A brief introduction and guide, using Arduino.[4] PID controller http ://en.wikipedia.org/w/index.php ?title=PID controller soldid=547984770.


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