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
Mots clefs thermocouple, retard, bilan entropique, forces thermodynamiques, diagramme de Black, stabilité, précision, correction, régulation, rapidité, effet Seebeck, modèle de Broïda, modèle de Strejc, réponse indicielle, essai de pompage, identification, fonction de transfert, transformée de Laplace, correcteur PID

Corrigé

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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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odélisation PSI 2009 -- Énoncé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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