Le programme de physique chimie en terminale stl, spcl, est composé de quatre parties : la partie "physique-chimie" commune avec la série sti2D, "ondes", "chimie et développement durable", "systèmes et procédés" (S & P).








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titreLe programme de physique chimie en terminale stl, spcl, est composé de quatre parties : la partie "physique-chimie" commune avec la série sti2D, "ondes", "chimie et développement durable", "systèmes et procédés" (S & P).
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21.Gestion de l’eau



Jjustifier l’emplacement des distilleries écossaises sur la carte.
Proches des cours d’eau ou de la mer car nécessité de grandes quantités d’eau pour refroidir ou pour introduire directement (eau de rivière) dans le mélange.
Au laboratoire, est-il nécessaire d’imposer un débit d’eau maximal sur le condenseur ?
Le débit n’a pas besoin d’être forcément très élevé il suffit juste que les vapeurs subissent un changement d’état : c’est à dire ici qu’elles passent sous forme liquide. Il y a un débit optimal à trouver.


22.Dispositif industriel



Sur les documents ci-dessous, identifier le bouilleur, la colonne à distiller et le réfrigérant.
Réfrigérant

Colonne à distiller : col de l’alambic

Bouilleur, ou alambic ici


Source : http://maltsethoublons.com


Contrôle et régulation



Partie "contrôle et régulation"

Notions et contenus

Capacités exigibles

Commentaires

Aspect fonctionnel.
Boucle de régulation.
Schéma fonctionnel, chaînes d'action et de retour, correcteur.

- Identifier, nommer et connaître la fonction des éléments constitutifs d'une boucle de régulation.
- Établir le schéma fonctionnel d'une boucle de régulation.
- Citer la nature des signaux d'interconnexion des éléments constitutifs des chaînes d'action et de retour ainsi que les valeurs normalisées les plus courantes.

On se limite au schéma fonctionnel de la boucle.

Le tracé et l'analyse du schéma d'une installation en représentation normalisée (schéma TI) ne font pas partie des capacités exigibles. On pourra se limiter à une représentation où le nom des organes constituant le système sont cités littéralement (en toutes lettres) sans exigence particulière sur la symbolisation.
La grandeur perturbatrice apparaît dans le schéma fonctionnel comme grandeur intervenant sur le système.

Par nature des signaux on entend grandeur physique (tension, débit, température, …) ;

ainsi une "boucle 4- 20 mA" n'est pas citée en tant que telle : c'est un courant continu dont les valeurs extrêmes de l'intensité sont 4 mA et 20 mA.
On peut regrouper dans un seul ensemble le capteur et le transmetteur. Dans un premier temps, il peut être important de les distinguer en précisant le rôle de chacun au regard des grandeurs physiques respectives.
On choisit de nommer "régulateur" l'ensemble {soustracteur ou comparateur, correcteur}.
On pourra faire appel aux valeurs relatives (en %) sans que cette notation soit exigible. On indique alors à l'élève les raisons de ce choix.

Grandeurs fonctionnelles : grandeurs réglées, réglantes et perturbatrices.

- Identifier les grandeurs fonctionnelles d'une boucle de régulation.
- Placer les grandeurs fonctionnelles sur un schéma fonctionnel.

Les grandeurs fonctionnelles sont les grandeurs d'entrée et de sortie de chaque bloc fonctionnel.

Caractéristiques statiques et dynamiques.
Systèmes stable et instable.

- Citer les définitions d'un système stable ou instable.

La notion de stabilité peut se définir ici à partir d'une variation finie de la grandeur d'entrée. Si la variation de la grandeur de sortie est finie, le système est considéré comme stable.

On pourra à partir d'exemples et pour un signal du type "échelon" présenter des systèmes stables et instables.

Caractéristique statique : gain statique ; point de fonctionnement.

- Tracer et exploiter la caractéristique statique d'un procédé stable. Calculer, au point de fonctionnement, le gain statique.
- Mettre en évidence expérimentalement le déplacement du point de fonctionnement quand la perturbation varie.

La caractéristique statique d'un procédé stable est la représentation graphique des valeurs prises par la grandeur de sortie en fonction des valeurs de la grandeur d'entrée en l'absence de perturbation.



Caractérisation des modèles comportementaux : caractéristiques dynamiques des procédés, comportement autour d'un point de fonctionnement.

- Différencier le comportement des systèmes par leur réponse à un échelon de commande.
- Déterminer les paramètres intrinsèques des procédés :
. pour un système stable : le gain statique, la constante de temps, le temps mort,
. pour un système instable ou intégrateur : le gain dynamique et le temps mort.

On se limite à l'échelon de commande.

Ces paramètres sont définis lorsqu'il devient nécessaire de les introduire, c''est-à-dire lors de la réalisation d'une régulation. On peut ainsi vérifier que le choix des paramètres d'un régulateur nécessite une connaissance à minima du système à réguler ; dans ce programme, cette connaissance se limite à quelques paramètres.

Régulation à action discontinue (TOR).

- Tracer et exploiter l'évolution des grandeurs à partir d'une consigne fixe pour les régulations TOR à un seuil et à deux seuils de basculement.

La régulation TOR est une régulation "tout ou rien".

La technologie des régulateurs n'est pas au programme. L'analyse ou la réalisation d'un schéma d'électronique analogique de régulateur ne font pas partie des capacités exigibles.

L'élève doit pouvoir déterminer les seuils du comparateur à partir des courbes relevées ou fournies, c’est-à-dire que l’élève relève et exploite l'évolution des grandeurs à partir d'une consigne fixe pour une régulation TOR.

Régulation à action continue (PI) : critères de performance d'une boucle d'asservissement ou de régulation :
- précision ;
- rapidité ;
- amortissement.

- Mesurer les critères de performance en boucle fermée, autour d'un point de fonctionnement, suite à un échelon de consigne :
. l'écart statique,
. le temps de réponse à 5 %,
. la valeur du 1er dépassement.
- En asservissement et en régulation, pour un échelon de consigne ou de la perturbation :
. Mettre en évidence expérimentalement l'influence du gain sur l'écart statique, le temps de réponse à 5 % et le dépassement pour une correction proportionnelle.
. Mettre en évidence expérimentalement l'influence d'une correction intégrale sur l'écart statique, le temps de réponse à 5 % et le dépassement.
- Comparer l'intérêt relatif d'une régulation à action discontinue et d'une régulation à action continue (avec correcteur PID) dans un contexte donné.

Les capacités exigibles relativement à la correction se limiteront aux correcteurs "proportionnel" et "proportionnel intégral".

Afin d'étudier l'influence des différents paramètres, il pourra être fait appel à la simulation.

On distingue "l'asservissement" comme la réponse à une consigne de la "régulation" comme la réponse à une perturbation.

Aucun développement mathématique n'est exigé sur le temps de réponse ou la valeur du 1er dépassement. L'étude est uniquement graphique ou expérimentale.
La correction intégrale est introduite qualitativement et sans aucun développement mathématique.
On abordera la correction PID seulement si le niveau de la classe le permet.
On pourra montrer sur des exemples que la régulation peut rendre instable un système initialement stable.
La différenciation du comportement des systèmes par leur réponse à un échelon de commande  sera faite selon les 3 critères que l’élève doit utiliser : précision, rapidité, amortissement.

Les critères de performance en boucle fermée à mesurer autour d'un point de fonctionnement, suite à un échelon de consigne, sont l'écart statique, le temps de réponse à 5 % (sortie stabilisée dans la bande à 5%) et la valeur du 1er dépassement correspondants respectivement aux 3 critères à évaluer : précision, rapidité, amortissement.

Pour évaluer les critères de performance, on attend des élèves qu'ils choisissent les relevés qu’il conviendrait de faire et qu’ils les exploitent.
En asservissement et en régulation avec une correction proportionnelle, (ou proportionnelle intégrale) l’élève doit exploiter des courbes enregistrées pour un échelon de consigne ou de perturbation afin de mettre en évidence expérimentalement l'influence du gain (ou de la correction intégrale) sur l'écart statique, le temps de réponse à 5 % et le dépassement.


Exemple pédagogique
Cet exemple n'est pas un document à utiliser avec les élèves clé en main. Il contient des informations dont les professeurs pourront s'emparer et s'approprier pour construire une séquence pédagogique.

Cet exemple est accompagné de "remarques pédagogiques pour la mise en œuvre" (en bleu sur fond jaune).
Le système réel : un château d'eau.
Capacités exigibles développées dans cet exemple :

  • identifier, nommer et connaître la fonction des éléments constitutifs d'une boucle de régulation ;

  • établir le schéma fonctionnel d'une boucle de régulation ;

  • citer la nature des signaux d'interconnexion des éléments constitutifs des chaînes d'action et de retour ainsi que les valeurs normalisées les plus courantes ;

  • identifier les grandeurs fonctionnelles d'une boucle de régulation ;

  • placer les grandeurs fonctionnelles sur un schéma fonctionnel ;

  • citer les définitions d'un système stable ou instable.



Dans le cadre d'une séquence pédagogique, l'annonce en amont des capacités exigibles n'apporte pas grand-chose car les termes utilisés et leur association en phrase sont en principe inconnus des élèves.

On distingue donc les "objectifs élèves" qui permettent de problématiser la séquence, des objectifs cognitifs visés (capacités exigibles) qui émergeront de l'étude et seront identifiés en fin de séquence permettant ainsi aux élèves de procéder à une auto-évaluation




a.Le contexte.

De manière à fournir l’eau potable avec un débit et une pression corrects dans les habitations environnantes, l’eau est stockée dans un réservoir en hauteur de manière à distribuer celle-ci par gravitation. Cette cuve est alimentée par les différents captages environnants et a une capacité correspondant à environ une demi-journée de la consommation locale (temps moyen nécessaire pour corriger une éventuelle panne sur le réseau d’approvisionnement du château d’eau). Les pompes alimentant le château d’eau fonctionnent dans des conditions toujours identiques, ce qui permet d’optimiser le rendement de l’installation et la réserve d’eau ainsi constituée évite un fonctionnement permanent des pompes. Le château d’eau sert également de réservoir tampon permettant de faire face à une demande exceptionnelle d’eau (lutte contre un incendie par exemple).

Du contexte on peut déduire une problématique sur la nécessité d'avoir une hauteur d'eau constante pour obtenir un débit constant.

Lien avec le cours de mécanique des fluides
Maintenir un niveau d'eau constant dans le château d'eau quel que soit le débit :

 Notions de : régulation, grandeur régulée, perturbation, chaîne de régulation, schéma fonctionnel,

 Analyse qualitative par anticipation du système régulé de l'effet d'une perturbation  hypothèse sur le fonctionnement.




De manière à remplir ces fonctions, il est nécessaire de maintenir un niveau donné dans le réservoir malgré les aléas de la quantité d’eau appelée par les utilisateurs.

b.Passage du système réel au modèle expérimental simplifié.

dsc02348.jpg
Le passage au modèle expérimental peut faire l'objet de propositions des élèves : comment "miniaturiser" le château ? Comment modéliser les variations de débit d'entrée et de sortie ? Comment mesurer une hauteur d'eau ? …

Sur le modèle expérimental on peut ensuite (liste indicative sans ordre de préférence) :

  • établir les correspondances avec le système réel ;

  • identifier le système, les entrées –sorties, le capteur, le rôle des pompes, les perturbations (en entrée et en sortie), la grandeur à réguler …

  • discuter du rapport d'échelle entre le système réel et le modèle expérimental ;

  • réaliser une étude qualitative sur les effets des perturbations sans et avec régulation ;

  • introduire des termes de lexique : actionneur, ensemble {capteur, transmetteur}, régulateur (ensemble soustracteur et correcteur) … .

  • Réaliser un schéma de l'installation en nommant en toutes lettres les "objets" : "pompe", "vanne", … ;

  • distinguer le "système non régulé" du "système régulé" ;

  • distinguer la "consigne" représentée comme grandeur d'entrée de schéma fonctionnel, de la grandeur d'entrée du système (débit d'entrée).



Une étude qualitative préalable favorise l'appropriation des concepts.



Sur la chaine fonctionnelle on pourra en référence avec le modèle expérimental identifier la nature des différentes grandeurs intervenant.

Il peut être utile de faire réfléchir les élèves sur le fait que la grandeur issue du transmetteur et renvoyée sur le régulateur est une image de la grandeur à réguler : ce n'est pas une hauteur d'eau qui est retournée mais une intensité fonction de la hauteur de la d'eau.
Grandeur de consigne

Régulateur

Vanne

Réservoir

{Capteur, Transmetteur}

Niveau

Débit d’entrée

Débit de sortie

Grandeur de commande

Grandeur

Issue du transmetteur



Par abus de langage on parle souvent de transmetteur sans parler du capteur mais à ce niveau il est souhaitable de les distinguer puis de les représenter dans un même ensemble


c.Validation du modèle.

Expérimentalement on met en œuvre une maquette sur laquelle on peut effectuer différentes mesures, différents essais pour divers niveaux de régulation.
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