X/ENS Modélisation PSI 2009

Thème de l'épreuve Modélisation de l'asservissement des transferts thermiques dans un four industriel
Principaux outils utilisés thermodynamique, diffusion thermique, automatique

Corrigé

(c'est payant, sauf le début): - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

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Rapport du jury

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Énoncé obtenu par reconnaissance optique des caractères


CX9612

Banque commune École Polytechnique ­ ENS de Cachan

PSI
Session 2009
__________

Épreuve de Modélisation
__________
Durée : 5 heures
__________
Aucun document n'est autorisé
L'usage de calculatrice électronique de poche à alimentation autonome, non 
imprimantes et sans
document d'accompagnement, est autorisé selon la circulaire n°99018 du 1er 
février 1999. De plus,
une seule calculatrice est admise sur la table, et aucun échange n'est autorisé 
entre les candidats.
Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur 
d'énoncé, il le
signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des 
initiatives qu'il est
amené à prendre.
__________

Modélisation de l'asservissement des transferts
thermiques dans un four industriel

Figure 1 : exemple de four industriel (à gauche), qui intervient dans la 
fabrication de tubes (à droite),
en nickel, pour un générateur de vapeur d'une centrale nucléaire.

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Extrait du corrigé obtenu par reconnaissance optique des caractères



X/ENS Modélisation PSI 2009 -- Corrigé
Ce corrigé est proposé par Emmanuel Bourgeois (Professeur en CPGE) ; il a été
relu par David Chapot (Professeur agrégé) et Julien Dumont (Professeur en CPGE).

Ce problème porte sur l'asservissement des transferts thermiques dans un four
industriel, en utilisant alternativement physique et sciences de l'ingénieur.
· Dans une première partie, on étudie des essais expérimentaux afin de 
déterminer
les paramètres importants du procédé. Cette étude permet de comprendre le
principe de fonctionnement d'un capteur de température, le thermocouple.
· La deuxième partie vise à identifier le procédé par différents modèles de 
comportement (Broïda et Strejc). Cette partie est l'occasion de manier le 
formalisme
de Laplace. Elle comprend quelques questions plutôt calculatoires mais l'énoncé
fournit les résultats intermédiaires, ce qui évite de rester bloqué.
· Dans la troisième partie, on utilise un modèle de connaissance basé sur le 
phénomène de diffusion thermique ; on utilise de nouveau le formalisme de 
Laplace
pour sa résolution. Cette partie, plus courte que les autres, est la moins 
difficile
du problème.
· Enfin dans la dernière partie, on étudie l'asservissement du procédé dont on
vient d'établir la fonction de transfert : l'importance des correcteurs est 
alors
mise en évidence, ici sur l'exemple du correcteur PID.
Ce sujet permet d'aborder l'ensemble de la partie d'automatique du cours de
sciences de l'ingénieur : établir une fonction de transfert, tester sa 
validité, réaliser
un asservissement et corriger le système obtenu, autant de problématiques qui 
sont
bien exploitées au cours de l'épreuve. Les questions de physique 
(thermodynamique et
transferts thermiques) distillées tout au long du sujet viennent compléter le 
problème
et permettaient aux candidats ayant un bon recul de s'exprimer pleinement.

Indications
3 Du point de vue thermodynamique, la tranche étudiée est en contact avec deux
thermostats situés aux abscisses x et x + dx.
4 Que vaut la variation d'entropie en régime stationnaire ? Utiliser la loi de 
Fourier.
6 Montrer que l'entropie créée s'écrit comme la somme de deux termes positifs.
12 À quel phénomène la transformée de Laplace e -B p est-elle associé ?
15 Déterminer la transformée de Laplace de la fonction e -S p S (p) en 
n'oubliant
pas d'expliciter E (p) pour un échelon.
18 Écrire la fonction de transfert en boucle fermée avec p = j . Que se 
passe-t-il si
son dénominateur s'annule ?
21 Développer le membre de droite de l'équation proposée et effectuer le 
changement
d'indice approprié.
22 Utiliser la question 21 avec  = 1 et X = 1/(1+TS p). Penser au formulaire 
donné
en fin d'énoncé.
23 Pour calculer S (t), passer d'abord dans le domaine de Laplace. Pour la 
dérivée
seconde, rester dans le domaine temporel. Distinguer le cas n = 1.
31 Appliquer le premier principe de la thermodynamique sur une tranche fermée de
fluide passant entre x et x + dx entre les instants t et t + dt. Attention, cv 
est la
capacité thermique massique et non volumique comme annoncé.
33 La fonction (x, p) doit être solution de l'équation différentielle et 
vérifier les
conditions aux limites.
38 Utiliser le théorème de la valeur finale. La valeur obtenue est-elle 
compatible avec
la question 37 ?
41 L'intégrateur correspond à l'amplificateur opérationnel noté AO 2 dans la 
figure 21. Que devient la tension de sortie si on enlève la rétroaction 
négative ?
Quel est alors le lien avec la tension d'entrée ?
42 La précision est d'autant meilleure que le gain est grand. Comment la phase
évolue-t-elle ?
47 Quel est l'effet du correcteur D sur le diagramme de Bode pour le gain ?
Un système est d'autant plus rapide que sa bande passante est large.
48 Que devient le gain à haute fréquence pour le correcteur D idéal ? Quel 
phénomène
observe-t-on alors en sortie du correcteur ?

Modélisation de l'asservissement des
transferts thermiques dans un four industriel
1 L'utilisation de tubes non parfaitement étanches engendre plusieurs problèmes.
· Il y a mélange entre les fluides des circuits primaire et secondaire : le 
circuit
primaire est en contact avec le coeur du réacteur. Il peut en résulter une 
contamination radioactive à l'intérieur de la centrale (danger pour les 
intervenants),
mais aussi à l'extérieur, via le réfrigérant atmosphérique (danger écologique).
· Il y a un risque d'emballement des réactions nucléaires et donc d'explosion
au niveau du circuit primaire : en effet, le circuit secondaire sert à évacuer 
la
chaleur produite dans le coeur du réacteur (via le circuit primaire) ; s'il se 
vide,
cette évacuation est moins efficace.
· Pour réduire ce risque, il faudrait alors recharger périodiquement le circuit
secondaire, ce qui impose d'arrêter complètement la centrale, opération délicate
et coûteuse.
La quasi-totalité du parc nucléaire français est constitué de Réacteurs à Eau
Pressurisée (REP) : l'eau est en effet un très bon caloporteur, et sa mise sous
pression évite qu'elle ne se vaporise dans le circuit primaire. On peut 
également utiliser de l'eau lourde, de l'hélium, mais également du sodium (dans 
les
réacteurs à neutrons rapides). Dans ce dernier cas, une fissure au niveau du
circuit primaire risque de provoquer l'enflammement du sodium, ce dernier
brûlant au contact de l'air ou de l'eau des autres circuits de refroidissement.

I. Essais expérimentaux et observation
des phénomènes mis en jeux
2 À vitesse de rotation du ventilateur fixée, le volet réglable permet de 
modifier le
débit d'air dans la conduite. On peut dès lors contrôler la vitesse de l'air 
circulant
dans la maquette et donc le régime d'écoulement.
L'utilisation d'un tel modèle permet d'obtenir des informations sur le procédé 
réel grâce aux propriétés de similitude des écoulements, caractérisés
par un ensemble réduit de nombres sans dimension, comme par exemple le
nombre de Reynolds. On fixe la vitesse du fluide dans la maquette de sorte
que Re maquette = Re réel et on cherche à procéder de même pour l'ensemble
des nombres sans dimension caractéristique de l'écoulement. Par exemple, en
utilisant une maquette au 1/10ème, il faut multiplier la vitesse de l'écoulement
par dix pour travailler à nombre de Reynolds constant.

3 Effectuons un bilan thermique sur une portion
de barreau comprise entre les abscisses x et x + dx.
L'étude est menée en régime stationnaire : les flux ne
dépendent donc pas du temps, ainsi (x, t) = (x).
De plus, l'énoncé se place dans le cas où le transfert thermique a lieu 
uniquement par conduction.
Pour les flux  entrants, il vient

-

Jq (x + dx)
(x + dx)

x
x + dx
x

(x) + (x + dx) = 0
ce qui implique, pour le capteur de section transverse ,

(x)

-

Jq (x)

Jq (x)  - Jq (x + dx)  = 0
Finalement,

Jq (x) = Jq (x + dx) = Jq

-
Le vecteur densité de courant thermique Jq est donc uniforme dans le barreau.
Ce résultat n'est valable qu'à condition de pouvoir négliger le flux 
conductoconvectif entre l'air en mouvement et le barreau, qui est proportionnel 
à la
surface latérale du capteur, donc à son rayon : il faut utiliser un capteur de
section transverse la plus fine possible.
La portion de barreau étudiée est en contact avec deux thermostats de 
températures respectives (x) et (x + dx). On note Q(x) l'énergie thermique 
traversant
la section droite d'abscisse x pendant l'intervalle de temps dt dans le sens 
des x
croissants. L'entropie échangée entre ce système et l'extérieur s'écrit
Q(x) Q(x + dx)
Se =
+
(x)
(x + dx)
(
Q(x) = th (x) dt = Jq (x)  dt
avec
Q(x + dx) = th (x + dx) dt = -Jq (x + dx)  dt
On en conclut

Se = Jq

1
1
-
(x) (x + dx)

 dt

4 En régime stationnaire, les variables d'état du système constitué par la 
portion
de barreau comprise entre x et x + dx sont constantes. Ainsi,
dS = 0
Le deuxième principe de la thermodynamique s'écrit ici
dS = Se + Sc = 0
où Sc et Se sont respectivement les entropies créée et échangée au cours de la
transformation. Il en résulte, en utilisant la question 3,

1
1
d 1
Sc = Jq
-
 dt = Jq
dx  dt
(x + dx) (x)
dx 
En divisant l'égalité précédente par dx  dt, on en déduit l'entropie créée par 
unité
de temps et de volume pour ce milieu unidimensionnel :

 -- 1
-
d 1
 = Jq
= Jq · grad
dx