Terminale STL – SPCL Systèmes et Procédés Fiche d’exercices–Partie G : Le contrôle et la régulation

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Exercices de la partie G Le contrôle et la régulation

EXERCICE 1 : Texte à compléter

1) Compléter le texte avec la liste de mots suivants :

Grandeur réglée, consigne, grandeurs perturbatrices.

Dans un dispositif technique, le procédé de régulation a pour rôle d’amener une grandeur physique

(__________________) à prendre une valeur fixée à l’avance ( _________________) et de l’y maintenir quelles que

soient ___________________ subies par le système.

2) Compléter le texte avec la liste de mots suivants :

Écart, grandeur réglée, grandeur réglante, consigne, signal de commande.

Dans une régulation PI en boucle fermée, on mesure d’une manière continue _________________ et on la compare à

___________________ de régulation. Dès qu’on détecte ______________, le régulateur doit modifier ______________

pour agir via l’actionneur sur________________et rendre ______________ égale à _____________.

EXERCICE 2 : Distillation

Les vapeurs d’alcool en tête de colonne de distillation alimentent un condenseur-réfrigérant. Cet appareil, alimenté par

un fluide frigorigène, permet la condensation des vapeurs ainsi que le refroidissement du condensat liquide formé.

La boucle de régulation au niveau du condenseur a été représentée de manière non conventionnelle par un technicien

non spécialiste de la régulation dans le document ci-dessous :

D'après la représentation faite par le technicien :

1. Indiquer la grandeur réglée, la grandeur réglante et une grandeur perturbatrice.

2. Sur son schéma le technicien n’a pas représenté l’actionneur. Citer un élément qui pourrait être

l’actionneur.

3. Compléter la boucle normalisée de cette régulation représentée ci-après en légendant les différents

rectangles et en indiquant les différentes grandeurs mises en jeu.

Réflexion sur les variations des

grandeurs

Action sur le débit du fluide

frigorigène

Observation de la température de l’alcool liquide

Condenseur réfrigérant

Température

alcool liquide

Température vapeur alcool

Débit fluide frigorigène

Température désirée de l’alcool liquide

Document 1

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EXERCICE 3 : Fabrication de floculant pour le traitement de l’eau

Un réacteur chimique produit un floculant liquide utilisé dans le domaine du traitement de l’eau. (Le floculant permet

aux particules se trouvant en suspension dans l’eau de s’agglomérer).

Les floculants en solution sont faciles d’utilisation mais ils se dégradent rapidement. Il faut donc, dans l’attente de sa

commercialisation, stocker le produit dans une cuve dont la température est stabilisée.

Si la température du produit s’élève trop, il doit être refroidi par de l’eau froide circulant dans un serpentin à l’intérieur

de la cuve.

1. D’après le schéma, déterminer la grandeur réglée.

2. Donner le nom de l’actionneur du système de régulation et celui de la grandeur réglante.

3. Citer 2 grandeurs perturbatrices.

Remplissage de la

cuve de floculant

Utilisation de

floculant

Cuve de stockage

Vanne commandée

TT TCI

Eau froide

Transmetteur de

température régulateur

…………………… …………………… ……………………

……………………

…………………

…………………

…………………

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EXERCICE 4 :

Une installation industrielle doit maintenir la température de son stock de produit à une valeur de 40 °C. Pour régler le

régulateur correctement un technicien procède à un essai (courbe 1).

Analyse de la pertinence des réglages du régulateur : première approche sans calcul

1. Préciser les trois critères de performance d’une boucle de régulation.

2. En regardant la courbe 1 et sans calcul, déterminer lequel de ces trois critères est satisfaisant. Expliquer

votre réponse.

3. Donner l’allure d’une courbe de réponse qui serait considérée comme la plus satisfaisante pour ce système

de régulation.

4. Déterminer alors le critère qui n’est pas satisfait avec les réglages précédents.

Pour modifier les paramètres du régulateur et permettre d’améliorer la régulation du système le technicien en charge

de l’installation est obligé de faire des calculs.

5. Donner le nom des trois grandeurs qu’il doit calculer pour évaluer chacun des critères de performance de la

régulation.

6. Calculer ces trois grandeurs.

Après avoir effectué les calculs, il modifie les réglages du régulateur et obtient alors la courbe 2.

7. Déterminer et justifier si les calculs faits par le technicien ont permis d’améliorer le fonctionnement de la

régulation de température du stock de produit.

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EXERCICE 5 : Champagne avec modération

Cet exercice est inspiré de la partie A.1 du sujet d’écrit de la session 2016 du concours général STL SPCL « science et

champagne ».

Cliquer sur le lien pour voir le sujet complet :

http://eduscol.education.fr/physique-chimie/enseigner/ressources-par-

dispositif-et-enseignement/concours-pour-les-eleves/concours-

general.html

Lors de la fermentation alcoolique du jus de raisin pour le transformer

en champagne, un dégagement de CO2 se produit. La quantité de CO2 se

trouvant alors dans l’air de la cave peut être dangereuse pour le

viticulteur qui y travaille. (document 1)

Les viticulteurs décident de mettre en place un système de ventilation pour réguler le taux de CO2 dans la cave.

1. Compléter le schéma fonctionnel de la boucle de régulation ci-dessous avec les éléments suivants :

accumulation de CO2 par fermentation, ventilation, détecteur de CO2, régulateur.

Le technicien qui doit mettre en place le système de régulation propose une régulation à action discontinue (TOR) à

deux seuils de basculement.

2. Donner les deux états possibles de l’actionneur lors de ce type de régulation.

3. En vous servant du document 1, déterminer les deux seuils de basculement à régler sur le régulateur pour

que l’air dans la cave ne soit pas dangereux.

4. Justifier à votre avis pourquoi le technicien a privilégié le choix d’une régulation TOR à deux seuils de

basculement au dépend d’une régulation TOR à un seuil de basculement.

5. Donner deux arguments justifiant qu’une régulation continue PID n’est pas pertinente ici.

6. Tracer ci-dessous l’évolution de l’état de fonctionnement de la ventilation si la ventilation est régulée avec

les deux seuils suivants : 0,03% et 0,1%.

DOCUMENT1 : Les dangers du taux de CO2 dans l’air

Le taux usuel du dioxyde de carbone dans l’air est de 0,03 % (300 ppm).

En dessous de 0,1 % de CO2, on peut considérer que l’air n’est pas dangereux.

A partir d’un taux de 1 %, on peut commencer à ressentir un manque de tonus et une certaine fatigue.

Au-delà de 5 %, l’exposition au CO2 provoque un halètement violent, l’épuisement et de graves maux

de tête ; en cas d’exposition prolongée, les lésions peuvent être irréversibles.

et cave.

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7. Tracer l’état de la ventilation en fonction de la valeur du taux de CO2.

EXERCICE 6 : Régulation de température

L’éminent M. Trachandle souhaite réduire sa facture de chauffage. Pour cela, il prend conseil auprès d’une société spécialisée qui lui a présenté le fonctionnement d’une régulation thermique en Tout ou Rien

Document 1:régulation thermique TOR

Document 2 : organe de chauffage

1. Expliquer la signification du terme régulation Tout ou Rien.

2. Dans l’exemple proposé par la société, s’agit-il d’une régulation à un seuil ou deux seuils ? Justifier.

3. Dans ce système de régulation dont le schéma est donné dans le Document à compléter 3, préciser quelle

est la grandeur réglée, la grandeur réglante.

4. Citer au moins deux grandeurs perturbatrices.

Etat de la ventilation

Valeur du taux de CO2

t

Valeur du taux de CO2

t

Etat de la ventilation

0.1 %

0.03 %

Grandeur réglante

transmise

t

100%

0%

20

Température

Ambiante (°C)

21

19

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5. Compléter le schéma du document à compléter 3 ci-dessus en rajoutant le nom des instruments en dessous

des rectangles vides.

6. Compléter le schéma du Document à compléter 3 ci-dessus en indiquant, à l’intérieur des rectangles, les

actions à réaliser dans la boucle de régulation.

7. Expliquer en quelques lignes le fonctionnement de la boucle de régulation en utilisant les termes consigne,

mesure et commande.

8. La consigne est fixée à 19°C avec un seuil bas à 18°C et un seuil haut à 20°C. Tracer sur le graphe, l’évolution

de la température dans la pièce au cours du temps sachant qu’initialement le thermomètre indiquait 17°C

(plusieurs réponses sont possibles).

Document 4

0

20

40

60

80

100

120

17

18

19

20

21

0 20 40 60

commande (%)

tem

pé

ratu

re (

°C)

Yr (%)

Habitation …………

………..

………….

…………….. ……………..

Grandeur

réglante

Grandeurs

perturbatrices

Mesure M

Commande

Yr

Consigne W

……………………..

Grandeur

réglée

Document à compléter 3