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MATLAB
Pro
du
ctiv
ité
La modélisation Qualifier une solution technique permettant de quantifier l'effort lors d'un impact
EdC07-6 Qualification d'un ouvre-portail en matière de sécurité humaine ✓ Acquisition de l'effort lors d'un impact ✓ Analyse des performances de la solution
technique de l'installateur
1
A - Présentation
Dans le secteur de l'habitat, l'automatisation des dispositifs d'accès est en fort développement. L'ouvre-portail
répond à ce besoin en permettant à un usager d'accéder à une zone privative sans avoir à descendre de son
véhicule. Le concepteur du système mais également depuis le 1er mai 2005 l'installateur sont responsables de
la conformité du produit. Ils doivent assurer que la fonction principale du produit est assurée "Permettre le
passage d'un véhicule autorisé" mais également s'assurer du respect de la réglementation vis-à-vis de la
protection des personnes (fonction contrainte).
Un dispositif de mesure de l'effort transmis au vantail peut être placé de façon temporaire par l'installateur
afin d'observer le comportement du système (partie mécanique et partie commande) lorsqu'un obstacle vient
perturber l'évolution normal d'un cycle d'ouverture/fermeture.
B - Énoncé de la situation-problème
Ce dispositif de mesure placé au niveau d'une bielle spéciale de l'ouvre-portail n'a de sens que lors du réglage
du système de commande de l'ouvre-portail. Il est retiré pour un usage habituel de ce dernier. Après réglage,
le comportement de l'ouvre-portail doit être conforme à la réglementation est notamment respecter les
informations de la courbe d'impact.
Le dispositif de mesure intégré dans une bielle spécifique aux essais est-il adapté aux essais nécessaires à la
mise en conformité de l'ouvre-portail ?
C - Démarche proposée
▪ Cycle de manipulation : découvrir le comportement du dispositif lors d'un cycle de fonctionnement
✓ Mesure de l'effort statique en présence d'un obstacle
- Mise en place d'un protocole de mesure
• Présentation et recherche documentaire
• Mise en situation
✓ Résultats expérimentaux
✓ Analyse des résultats expérimentaux
▪ Cycle de simulation : valider la solution technique de mesure de l'effort au niveau de la bielle
✓ Observation de la solution technique du constructeur
✓ Implémentation dans un modèle de simulation fourni
▪ Analyse des écarts entre les résultats expérimentaux et les résultats simulés : validation du modèle
✓ Importation de données externes dans MATLAB
✓ Superposition de caractéristiques sur le même graphe dans MATLAB
✓ Analyse des écarts et remédiation
D - Cycle de manipulation Objectif : découvrir le comportement de la chaîne d'énergie lorsque le vantail est soumis à un blocage par
obstacle fixe
D.1 - Mesure de l'effort statique en présence d'un obstacle
2
D.1.a - Principe
Nous allons placer un obstacle solidaire du bâti sur
le parcours du vantail. Cet obstacle (une équerre
aluminium) doit pouvoir être déplacé pour pouvoir
bloquer le vantail à diverses positions angulaires. Le
schéma ci-contre illustre le principe.
Les angles sont choisis en fonction des possibilités
de fixation. Ainsi :
𝛼1 Le calcul de l'angle s'effectue à partir de la mesure de la distance L La longueur du vantail est de 0,6 𝑚
𝛼2
𝛼3
𝛼4
D.1.b - Mode opératoire
- On place entre le vantail et l'équerre, un capteur d'effort (Une jauge de
contrainte). La mesure de l'effort qu'exerce le vantail sur l'obstacle doit
s'effectuer en STATIQUE.
- L'actionneur (Le moteur à courant continu) est alimenté par une source de
courant réglable,
- Pour chaque position, le vantail est approché (en alimentant l'actionneur) au
plus près de l'obstacle, sans le heurter, et s'applique "doucement" sur le capteur d'effort jusqu'à
l'obtention de l'effort recherché,
- Tandis que le courant appliqué au moteur est contrôlé avec une pince ampèremétrique, on relève
sur le capteur de force de la bielle l'effort transmis.
D.1.c - Chaîne de mesure
Pour l'acquisition de l'effort sur la butée, le matériel utilisé est le
suivant :
- Un capteur de force de 50 Kg CZL204E-50,
- Une interface Phidgets 1046 pour 4 capteurs de force,
- Un ordinateur avec les drivers Phidgets installés et
équipé de l'application LabVIEW
Pour le contrôle du courant consommé par le moteur, le
matériel utilisé est le suivant :
- Une alimentation stabilisée 30 V – 10 A,
- Une pince ampèremétrique
- Divers boutons poussoirs pour une commande de type
"pont en H"
𝛼1 𝛼2
𝛼3
𝛼4
L
Jauge de
contrainte 50 Kg
Jauge de
contrainte 50 Kg
Matériels nécessaires
pour le captage de l'effort
sur la butée
Équerre
Interface
Phidgets
1046
Ap
plic
atio
n
Lab
VIE
W
Matériels nécessaires pour l'alimentation de
l'actionneur électrique
Alimentation stabilisée
Pince
ampèremétrique
Bouton poussoir inverseur Bouton Arrêt d'urgence
3
D.1.d - Schéma de mesure
Remarque : l'alimentation double dont on dispose, possède plusieurs modes. Le mode "parallèle" permet
l'obtention d'un courant maximum de 10 A.
D.1.e - Protocole de mesure
À réaliser dans le cadre du projet.
D.1.f - Relevés expérimentaux
Ces relevés sont effectués pour les 4 angles. Les valeurs
sont notées dans un tableur et représentées
simultanément dans un graphe.
Ces essais sont réalisés dans le cadre du projet.
D.1.g - Analyse des résultats
expérimentaux
Cette analyse est réalisée dans le cadre du projet
E - Cycle de simulation
Objectif : valider la solution technique de mesure de l'effort au niveau de la bielle
A
M _
Schéma de montage
ARU
BP1 BP2 Alimentations associées
en parallèle
(maître-esclave) Système de
transmission
Vantail
L'obstacle exerce un effort à l'extrémité du vantail
Bielle
Capteur de
force de la
bielle
4
E.1 - Observation de la solution technique du constructeur
Le constructeur a placé un capteur de force dans l'axe longitudinal de la
bielle. Cela permet de mesurer l'effort de la bielle sur le vantail tel qu'il est
décrit sur la figure ci-contre.
E.2 - Implémentation dans un modèle de simulation fourni
E.2.a - Modèle MATLAB
Le modèle MATLAB1 est placé dans le dossier "Original" et doit être déplacé dans l'environnement de travail. À réaliser dans le cadre du projet
ATTENTION : ce modèle n'est pas fidèle à la réalité. Ses paramètres influents doivent être identifiés et réglés
Objectif : SIMULER la présence d'un obstacle pour différentes situations angulaires du vantail, CONTRÔLER
simultanément le courant consommé par l'actionneur électrique et MESURER l'effort longitudinal sur la bielle
✓ La démarche
→ SIMULER la présence d'un obstacle…
Une force extérieure est appliquée à l'extrémité du vantail :
Sa norme doit correspondre à un effort de 150 𝑁 à 1 𝑚 de l'axe de rotation du vantail.
Le moment généré par cet effort de 150 𝑁 à 1 𝑚 équivaut à 150 𝑁𝑚.
Afin d'obtenir le même moment pour une longueur de vantail de 0,6 𝑚, il sera nécessaire d'appliquer
un effort de 𝐹 =150
0,6= 250 𝑁
Sa direction sera toujours perpendiculaire au vantail quel que soit l'angle de fermeture ou d'ouverture
Recherche du point d'application
La procédure…
Ouvrir le modèle Matlab et sur le ruban de la
fenêtre du modèle, sélectionner "Simulation"
puis "Update Diagram" afin d'ouvrir une fenêtre
"Mechanics Explorers" telle que celle-ci-contre.
Sélectionner avec l'outil de sélection
l'équerre du vantail et identifier le système
d'axes attaché à cet élément.
On décide d'appliquer l'effort sur cette
équerre, la direction de l'effort étant liée à
l'axe �⃗�.
Le modèle volumique de l'équerre se
nomme "equerre_vantail1_RIGID"
(fenêtre "Mechanics Explorers")
1 Le modèle est présenté dans le document technique DT1
𝐹𝑏𝑖𝑒𝑙𝑙𝑒/𝑣𝑎𝑛𝑡𝑎𝑖𝑙ሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬ⃗
Équerre du vantail
5
Application d'un effort dans le modèle MATLAB
Objectif : rechercher dans le modèle MATLAB, la pièce "equerre_vantail1_RIGID" pour y placer un port
de connexion externe
La procédure…
Descendre les hiérarchies du modèle volumique de l'ouvre-portail jusqu'au modèle du vantail,
Identifier l'équerre et placer un port supplémentaire (copier-coller d'un port existant),
Contrôler l'existence de ce nouveau port en remontant d'un niveau
hiérarchique,
Placer de nouveau un port supplémentaire (toujours par un copier-coller
d'un port existant) et le nommer "AppuiFlecheVantail" et vérifier la
présence de ce nouveau port sur le
niveau supérieur.
L'application d'un effort externe (force
ou couple) s'effectue à l'aide d'un composant "External Force and
Torque" disponible dans la bibliothèque
"Simscape/Multibody/Forces and Torques"
Compléter le modèle par les éléments
suivants…
Modèle du
vantail
Identification de
l'équerre
AppuiFlecheVantail
Bibliothèque "Simscape/Foundation Library/Utilities
Transforme une grandeur mathématique en une
grandeur physique
Bibliothèque "Simulink/Commonly Used Blocks
Génère une grandeur constante
6
Améliorer l'interface homme-machine en plaçant un curseur
("slider") disponible dans la bibliothèque
"Simulink/Dashboard". Ce composant doit être paramétré
afin d'être mis en relation avec la grandeur constante
"Obstacle" (voir ci-contre)
Régler l'effort à 250 𝑁 ainsi l'effort s'opposera à la fermeture du
vantail,
Placer un capteur de couple (Attention, la mesure d'un flux s'effectue en plaçant le capteur en série)
en sortie du moteur afin de contrôler l'effet de l'effort à l'extrémité du vantail,
Avant de lancer la
compilation et ensuite la
simulation, vérifier les
paramètres de la loi de
commande (double-clic
sur la fonction "Loi de
Commande")
Le temps de fermeture est plus important car l'effort de 250 𝑁 s'opposera
au déplacement du vantail.
La visualisation de l'évolution du couple moteur s'effectue avec le "Scope Couple Moteur".
Paramétrer la visualisation afin d'obtenir le
résultat ci-contre :
Conclusion : l'effort externe représentant
l'obstacle s'oppose à la fermeture du vantail, il est
donc nécessaire de procéder d'abord à son
ouverture pour réaliser la simulation. Notons que
l'expérience est faite en dynamique ce qui ne
correspond pas en réalité au processus réalisé en
expérimentation.
L'analyse des écarts indiquera si les résultats de
cette méthode sont exploitables.
Éléments à ajouter
20
10
70
Portail
ouvert
Portail
fermé
7
La représentation ci-contre est réalisée
en exploitant la variable
"CoupleMoteur" importée dans le
Workspace au moment de la
simulation.
→ CONTRÔLER le courant consommé…
Rappel important : le courant consommé par un moteur à courant continu est proportionnel au couple
moteur développé (𝐶 = 𝐾𝑐 × 𝐼𝑚)
Le captage de l'information du courant consommé par le moteur est réalisé à l'aide d'une résistance.
On montre que cette résistance est traversée par le courant moteur quel que soit le sens de rotation.
L'application de la loi d'ohm permet
à partir du captage de la différence
de potentiel à ses bornes, d'obtenir
l'information du courant.
Créer une entrée supplémentaire sur le scope et connecter cette entrée à l'image du courant Moteur.
Renseigner cette connexion en indiquant "Signal sans bruit"
Fonction "Distribuer"
Information
Image du
courant
Moteur Le courant réel
étant très
bruité, un bruit
blanc est
introduit
8
Réaliser une simulation avec l'effort externe de 250 𝑁 tel
qu'il a été réglé précédemment.
Visualiser le courant moteur et présenter les résultats
conformément au graphe ci-dessous.
On peut analyser les différentes phases de fonctionnement…
Analyse des différentes phases de fonctionnement du vantail
Phase d'ouverture Phase de fermeture Phase de
pause
Durée effective
d'ouverture Vantail
en butée
Démarrage
du moteur
Vantail
en butée
9
… et représenter spécifiquement la phase de fermeture :
→ MESURER l'effort longitudinal sur la bielle…
Remarque importante : en plaçant en surbrillance la liaison linéaire annulaire (bielle – vantail gauche)
dans la fenêtre "Mechanics Explorers", on peut observer la situation des systèmes d'axes et notamment
le système d'axes lié à la bielle.
L'accès à l'effort longitudinal se fera dans le modèle
Matlab de la bielle…
… que l'on développe en double cliquant sur le
modèle :
Objectif : placer un modèle de captage d'effort
Que se soient des capteurs ou des actionneurs, la seule possibilité pour visualiser ou agir est de placer une
A
𝑨𝒙ሬሬሬሬሬ⃗
Représentation "Back view" du modèle
volumique de l'ouvre portail
Vantail FERMÉ Vantail OUVERT
10
jonction. Cette jonction n'aura pas de degré de liberté et devra être placée entre la "bielle_mesure1" et la
"bielle_mesure2" (à l'endroit où se trouve physiquement le capteur d'effort)
Le choix se porte sur la jonction "Weld join" qui correspond aux besoins :
Importer la jonction "Weld join" de la bibliothèque "Simscape/Multibody/Joints",
Paramétrer la jonction pour obtenir la mesure de la force,
Placer le composant entre la "bielle_mesure1" et la "bielle_mesure2" et
construire le port de sortie (par copier-coller d'un port existant).
En choisissant (obligatoirement) l'option "Total Force", nous sélectionnons un vecteur à 3 dimensions :
�⃗�/ℛ = (
𝐹𝑥
𝐹𝑦
𝐹𝑧
) ℛ é𝑡𝑎𝑛𝑡 𝑙𝑒 𝑟𝑒𝑝è𝑟𝑒 𝑣𝑖𝑠𝑢𝑎𝑙𝑖𝑠é 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝑙𝑎 𝑓𝑒𝑛ê𝑡𝑟𝑒 "𝑀𝑒𝑐ℎ𝑎𝑛𝑖𝑐𝑠 𝐸𝑥𝑝𝑙𝑜𝑟𝑒𝑟𝑠"
Créer sur le niveau supérieur un port nommé "Capteur Effort Bielle",
Sur le niveau principal, associer un scope à la sortie nommée "Capteur
Effort Bielle".
Visualiser le résultat après une simulation en identifiant la phase de fermeture.
L'analyse de cette caractéristique sera réalisée en travaux dirigés.
11
F - Analyse des écarts
Objectif : analyser les écarts entre les données expérimentales recueillies sur le capteur d'effort de la bielle
et les données déterminées en simulation.
Les données (expérimentales et simulées) vont être exploitées dans l'environnement MATLAB. En effet, il
offre des outils d'analyse puissants tels que courbes de régression, rééchantillonnage…
F.1 - Importation des données externes dans MATLAB
Plusieurs méthodes permettent d'importer des données numériques dans MATLAB. Ici, il s'agit d'importer les
données expérimentales donnant l'effort mesuré par le capteur d'effort de la bielle en fonction de l'angle de
rotation du vantail.
Le nombre de mesures est faible puisqu'il est de 4 seulement. Il sera donc nécessaire de procéder à une
extrapolation entre chaque mesure.
Prérequis : les données sont placées dans un tableur (LibreOffice ou EXCEL). Elles sont structurées en colonnes,
la première ligne étant réservée à l'intitulé (sans caractères accentués)
F.1.a - Méthode n°1 : IMPORTATION des données dans le WORKSPACE
Prenons l'exemple des données ci-contre (valeurs fictives), les
vraies valeurs seront exploitées en projet.
Ces valeurs ont été déduites de la simulation, elles n'ont donc
aucune réalité expérimentale.
Remarque : les écritures grisées dans le tableau ne doivent pas
être indiquées dans le tableur.
✓ Procédure d'utilisation de MATLAB
Rappel important
Le simulateur Matlab sera toujours utilisé avec un environnement de travail en local (généralement le bureau de
l'ordinateur, exemple le dossier "Travail_Matlab") afin de limiter les temps d'accès. On prendra soin également à l'issu
de l'activité de sauvegarder le dossier "Travail_Matlab" dans un environnement personnel et sécurisé.
- Créer sur le bureau de l'ordinateur un dossier (par exemple "Travail_Matlab"), - Lancer l'application Matlab R2017b,
- Placer Matlab en relation avec son environnement de travail. Pour cela, faire glisser le dossier "Travail_Matlab"
sur la console (on appelle console la fenêtre "Command window").
- Vérifier la validité du chemin indiqué sur la ligne d'adresse (en dessous des menus). La fenêtre "Current Folder"
contient alors les ressources (pour l'instant inexistante) du dossier "Travail_Matlab"
✓ Importation du fichier de données dans le répertoire "Travail_Matlab"
Les ressources sont généralement placées dans le serveur de données du secteur S2i.
- Copier-coller le fichier indiqué par le Professeur dans votre dossier "Travail_Matlab"
- Vérifier sa présence dans la fenêtre "Current Folder" de MATLAB
Angle (°) Courant (A) Effort (N)
85,5 2,06 249,1
60,4 2,68 249,4
30 3,1 257,1
5,8 2,85 312,8 ATTENTION : Valeurs fictives
12
✓ Importation du fichier de données dans le "workspace" de MATLAB
L'espace de travail ("workspace") permet l'enregistrement des variables.
Voici le ruban de Matlab :
- Identifier la catégorie "VARIABLE" et le menu "Import Data",
- Cliquer sur "Import Data"… Une fenêtre de sélection de fichier s'ouvre (par défaut dans "Travail
Matlab")
- Choisir le fichier à importer .ods ou .xlsx (l'importation peut prendre un peu de temps !),
- Dans la fenêtre "Import", vérifier le paramétrage tel que présenté ci-dessous :
- Vérifier dans le "Workspace" la présence des variables "Angle",
"Courant" et "Effort".
- Tracer les 2 caractéristiques :
𝐶𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 = 𝑓(𝐴𝑛𝑔𝑙𝑒) et 𝐸𝑓𝑓𝑜𝑟𝑡 = 𝑓(𝐴𝑛𝑔𝑙𝑒)
Pour cela, sélectionner dans l'ordre la variable "Angle" (axe �⃗�) puis
"Courant" (axe �⃗�) et dans le ruban de Matlab, l'onglet "Plots", sélectionner ensuite "scatter". Faire de
même pour la deuxième caractéristique,
- Documenter ces deux caractéristiques afin d'obtenir les résultats suivants :
Choisir "Import Data" lorsque
le paramétrage est vérifié
13
F.2 - Superposition de caractéristiques sur le même graphe dans MATLAB
Objectif : superposer les résultats expérimentaux et les résultats simulés obtenus avec MATLAB afin d'évaluer
par l'analyse des écarts la conformité du modèle avec le système réel.
Prérequis : les résultats expérimentaux ont été importés dans MATLAB (voir chapitre précédent)
Sur la console de MATLAB, la commande "plot" permet la visualisation des données.
L'analyse de la structure des variables garantie un bon paramétrage de cette commande.
Analyse de la variable "AngleVantail"
- Double-cliquer sur la variable pour visualiser sa structure :
l'éditeur de variables s'ouvre.
La variable "AngleVantail" est une
structure composée de 3 champs.
Le champ "time" est un
vecteur colonne dont le
contenu peut être consulté par un double-clic.
L'accès à ces données peut donc être fait par
"AngleVantail.time" (la syntaxe est issue de la programmation
objet avec l'opérateur '.')
Le champ "signals" est de nouveau une structure.
Un double-clic nous informe que cette structure est composée
de 5 champs :
Le champ "values" est le
vecteur colonne qui
contient les données.
L'accès à ces données peut être fait par
"AngleVantail.signals.values"
Conclusion : la connaissance de l'organisation des
données est essentielle pour leur exploitation.
L'utilisation de l'éditeur de variables permet de clarifier
cette organisation.
Nous retenons que les données relatives à l'angle du
vantail sont contenues dans la variable
"AngleVantail.signals.value".
Analyse de la variable "CourantMoteurFermeture"
La démarche est identique.
Nous retenons que les données relatives à la consommation du moteur sont contenues dans la variable
"CourantMoteurFermeture.signals.values"
Représentation de la courbe 𝑪𝒐𝒖𝒓𝒂𝒏𝒕𝑴𝒐𝒕𝒆𝒖𝒓𝑭𝒆𝒓𝒎𝒆𝒕𝒖𝒓𝒆 = 𝒇(𝑨𝒏𝒈𝒍𝒆𝑽𝒂𝒏𝒕𝒂𝒊𝒍. 𝒔𝒊𝒈𝒏𝒂𝒍𝒔. 𝒗𝒂𝒍𝒖𝒆𝒔)
Sur la console MATLAB, après l'invite >>, saisir :
plot (AngleVantail.signals.values, CourantMoteurFermeture.signals.values);
14
Association des résultats expérimentaux et des résultats simulés
La commande "plotyy" permet un double axe �⃗�. La syntaxe est la suivante :
plotyy (AngleVantail.signals.values, CourantMoteurFermeture.signals.values,Angle,Courant);
1 A
10 s
Trajet correspondant à l'ouverture
Trajet correspondant à la fermeture
Départ
15
Dans de telles conditions, on peut prétendre que le modèle est fidèle à la réalité (rappelons que cela ne peut
en être autrement car les points dits expérimentaux (points rouges) sont en réalité issus de la simulation)
Le modèle est validé de l'effort exercé à l'extrémité du vantail jusqu'au courant du moteur soit l'ensemble de
la chaîne d'énergie et la relation couple-courant du convertisseur d'énergie.
F.3 - Analyse des écarts
Objectif : répondre à la problématique
- Exploiter la méthode de tracé du chapitre
précédent et proposer un graphe tel que ci-
contre :
Conclusion : le dispositif intégré à la bielle rend
fidèlement compte de l'effort appliqué à l'extrémité
basse du vantail uniquement dans l'intervalle
[60°;90°]. Le réglage de la sécurité du vantail par
rapport à l'écrasement ne pourra s'effectuer que
dans cet intervalle angulaire.
16
Document Technique DT1
Modèle MATLAB de l'ouvre-portail
Annexe n°1
