asservissement et exploitation des essais dans la pratique de la

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Laboratoire Central des Ponts et Chaussées

Asservissement et exploitation des essaisdans la pratique de la géotechnique

Philippe Reiffsteck - LCPC

Séance Logiciels du CFMS - 22 mai 2003

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Thèmes abordés dans la présentation

1. Évolution des matériels

2. Essai triaxial

3. Essai pressiométrique

4. Exploitation

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Mesure

!Capteurs• force• pression• déplacement (débit, volume…)

Grandeurà

mesurer

RéactionduCE

ConditionnementCE

CE : Corps d’épreuveD : détecteurCAN : conversion analogique numérique

D

capteur CAN

PC

signal

alim.

4


Mesure des efforts

F

Fcomparateur cristal

piezoélectrique

F

F

jauges

F

F

Évolution

5


Mesure des pressions

jaugesp cristalpiezoélectriquep

bar

ptube de Bourdon

Évolution

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Mesures des déplacements

primaire

secondaire

tige

noyau magnétique

NS N

S NS N

S NS N

S

+-

0

Évolution

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Essais triaxiaux

• Les premiers appareils

8


Essais triaxiaux

• Cellule

(13)

(14)

(20)

sol(8) (3)

(10)

(17)

(15)

(11)

(6) (7)

(19)

(4)

(1)

(2)

(5) (18)

(16)

(12)

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Systèmes d’acquisition

• Acquisition de déplacements = acquisition visuelle

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• Acquisition de déplacements = acquisition visuelle automatisée

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• Acquisition de pressions = acquisition automatisée

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• Acquisition dedéplacements par traceursXY

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Essais triaxiaux

• Les premiers systèmesà acquisition automatique

M&O

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Essais triaxiaux

• Années 75 : système à acquisition automatique du LCPC

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Systèmes d’asservissement

• Système d ’asservissementà relais

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• Système d’asservissement à relais = régulateur proportionnel

indicateur de déformationair comprimé

système d'application de la pression interstitielle

vérin

régulateurde pression

220 V

relais

moteur

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• Mécasol, 1972

Système d’asservissement àrelais = régulateur proportionnel

Pression interstitielle

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• Années 80 : les premiers ordinateurs avec système d ’exploitation enCPM

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Essais triaxiaux

• Menzies et Sutton, 1980

A la même époqueen Angleterre...

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Essais triaxiaux

• Évolution du mode d ’application du déviateur

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Essais triaxiaux

• Atkinson, Evans, Scott, 1985

Le résultats des développements.

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Essais triaxiaux

• Les systèmes asservis actuels

Appareils de marque GDS au laboratoire de mécanique des sols du LCPC

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Essais triaxiaux

• Configuration classique régulée par un opérateur

bar

purge

vérin

réservoir d'eau

indicateur de zéro

burette

presse

colonne de mercure

anneau dynamométrique

comparateur

Wikeham Farrance Eng. Co.Slough England

(voir le livre de Bishop, Henkel)

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Essais triaxiaux

• Configuration classique asservie

moteur

air comprimé

système d'application de la pression interstitielle

système de mise en pression

purgevérin

air compriméréservoir d'eau réservoir d'eau



TRITECH 5050 kN compression test machine

0000005

moteur

PC

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Essais triaxiaux

• Configuration asservieavec asservissements délocalisés au niveau des CPV

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Asservissement

! Qu’est-ce qu’un système asservi ?

C’est un système assurant des fonctions demesure, de surveillance, de prise de décisionet d’action.

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Asservissement

• système• consigne• perturbations• mesures

consignes Écart

Systèmecomparaison décision

mesure

action sortie

PerturbationsOpérateur ou régulateur

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Asservissement

! Objectif• Exécution automatique et fidèle des consignesen toute sécurité

! Matériel utilisé• régulateur monobloc analogique et numérique• système numérique de contrôle, commandede procédé = automate• opérateur de calcul arithmétique et dynamique= ordinateur

! Technique• régulation en boucle fermée• régulation discontinue• régulation par modèle de référence

Gestion centralisée

Car essai de mécanique des sols non linéaire (le principe de superposition ne s’applique pas)

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Asservissement

!L’existence de ces boucles peut provoquerl’apparition de phénomènes oscillatoires

• échantillonnage rapide / phénomène• utilisation de régulation de type PID

consignes Système

PID : proportionnel intégral dérivé

P

mesure

action sortie

PerturbationsRégulateur

I DÉcart

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Asservissement

P : proportionnel I : intégral D : dérivé

Échelon

Rampe

Impulsion

Entrée

Temps

Sortie PI

D

Entrée = écart entre mesure et consigne (par exemple écart de pression)Sortie = action de rattrapage

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Asservissement

!Structure• série• parallèle• mixte

!Logiciel• programmation facile

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Asservissement

capteur de force intérieur

capteur radial capteur axial

capteur de pressioninterstitielle bender elements

capteur de force extérieur

capteur de déplacementextérieur

capteur de pression interstitielle extérieurrotation

mauvaisalignement

frottement du piston

jeux

Diminution des efforts parasites : jeux, frottements amélioration de l’asservissement

La solution : l’instrumentation locale

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Logiciel d’asservissement

!Logiciel d’asservissement• Fortran• Visual basic, Visual C++, Delphi• HPVee, Labview, LabWindows CVI, WinDev,

DASYLab• Catman,

Orienté objet

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!Logiciel d ’asservissement

Début

Entréeparamètre

Stockagefichier

Fin

Actions séquentielles :Mesure du gonflement

Mise en contre-pressionConsolidation

Suivi du chemin de contrainteFin d’essai

Stockagefichier

Affichage

chemin de contrainte ÉprouvetteP

mesure

action

sortie

PerturbationsRégulateur

I Décart

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Fichier projet

Fichier interface utilisateur

Fichier code Fichier définition

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• Structure de l’essai

GDS

Structure de l’appareillage

Structure de l’essai

Suivi de l’essai

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• Logiciel orienté objet

Fichier code Fichier interface utilisateur

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Asservissement

!Interrogations• précision de l’asservissement pilotage en déplacement (et non

en vitesse de déplacement)utilisé car de programmation plus simple et juste en P (cas

des CPV GDS)

• pilotage en force (plus proche de la réalité et de la modélisation)puis pilotage en déformation

!Autre possibilité• régulation prédictive = modèle de référence

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Exploitation

• Tableur bureautique : Microsoft Excel, Grapher, Surfer, GNUplot

• Outil mathématique : Matlab, Scilab...

• Intégré dans logiciel de pilotage : HIQ,

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Exploitation

• Courbes tracées avecExcel

• Analyse classique =ergonomie suffisante

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Exploitation

• surface de Roscoe et de surface de charge anisotrope (Argiledes Flandres) tracée en 3D par HIQ

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L’essai pressiométrique

• Essai pressiométrique selon Kögler

!Régulation paropérateur

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train de tiges

bar

bar

bar

bar

CPV

sonde

bâti

gaine

bouteille de gazcomprimé (azote)

membrane

• Essai pressiométrique selon Ménard : dispositif actuel


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V en cm3

p en bar

plage pseudo-élastique

Vf

V1

P1 Pf Pl

t

p en bar

∆p

∆tδt

bar

bar

bar

bar

Mesure de volumepar burette graduée

Mesure de pressionpar manomètre

−−

+

++=12

1221 .2

)1.(2VVPPVVVE sM ν

Détermination du module pressiométrique par l’équation


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SPAD~1990

!Régulation parordinateur

PACBaud J.P.,1984


régression

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L’essai pressiométrique autoforé

• PAFsystème à déformation contrôlée

!Passage de la régulationpar opérateur à la régulationproportionnelle

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!Régulation proportionnelle

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!Régulation par ordinateur

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!Architecture

vérin : capacité 1000 cm3

spider 8 : 8 capteurs

portable avec RS232

IEEE

logiciel LabWindowsSondecapteurs de déplacement9 capteurs radiaux (1)capteurs de force1 force verticale (2)capteurs de pression1 pression cellulaire (3)1 pression d'injection (4)1 pression interstitielle (5)

Appareil PAF2000mai 2003

5

2

13

4

spider 8 : 8 capteurs

!Technique d ’asservissementproche des essais de laboratoire

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FIN

!Essai automatisé à carrousel

!Est-cel’avenir ?

asservissement et exploitation des essais dans la pratique de la

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