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Contribution à la conception de lois de commande à caractère robuste pour une machine synchrone entraînant une charge élastique à inertie variable

Ferreira de Sousa, Marcus Alexandre (2007) Contribution à la conception de lois de commande à caractère robuste pour une machine synchrone entraînant une charge élastique à inertie variable. (Design of robust controllers for synchronous machine with inertia load variation.)

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Abstract

Le but de ce travail est de définir les règles de synthèse de différentes lois de commande afin de leur donner un caractère robuste. Nous étudions la problématique du contrôle d'un actionneur synchrone en présence d'une charge mécanique. Cette charge est entraînée par un accouplement élastique et présente une valeur d'inertie variable et bornée. La synthèse de correcteurs simples est présentée et des méthodes pour obtenir le meilleur correcteur sur l'intervalle de variation des paramètres sont presentées. Nous avons présenté dans ce travail, les règles de synthèse d'un régulateur PID sur lequel nous avons ajouté une méthode itérative d'optimisation basée sur l'expertise du comportement du système ainsi qu'un algorithme génétique. Cette partie a permis de donner des règles simples de synthèse et de paramétrisation de la méthode d'optimisation afin de trouver les 3 degrés de liberté de correction optimaux. La synthèse de correcteurs dans l'espace d'état a ensuite été abordée en étudiant le meilleur placement de pôle en fonction de l'élasticité et de la variation d'inertie. La méthode de synthèse par optimisation d'un critère quadratique intégrale (LQI) est largement presentée. Cette partie permet de donner les lignes directrices et les critères à choisir pour obtenir un placement de pôle respectant au mieux le cahier des charges et un comportement robuste aux variations de paramètres. L'étude de la méthode LQI à 3 degrés de liberté à permis de lier la valeur des coefficients aux pôles et au comportement du système en boucle fermée. Une deuxième méthode de synthèse par optimisation LQI permet de définir les gains du régulateur à partir d'un placement de pôles souhaité. Toutes ces structures de contrôle ont été vérifiées en simulation en tenant compte du pilotage de la machine synchrone au travers de son convertisseur statique. Les boucles internes de gestion des rapports cycliques et des boucles de courant sont présentées de manière à expliquer certain phénomène et afin de fixer correctement les dynamiques internes souvent négligées. Ces correcteurs ont ensuite été implanté dans un environnement dSPACE, sur un banc d'essai constitué d'un convertisseur MLI, d'un actionneur synchrone autopiloté entraînant une charge mécanique identique au problème évoqué présentant un accouplement élastique et des disques additionnels permettant la variation d'inertie. Une extension vers des correcteurs plus avancés sont présentés en mettant l'accent sur les difficultés qui apparaissent pour la représentation des systèmes (mathématique et forme augmentée pour les approches H1, LMI, réduction de modèle, etc) sur la complexité des méthodes de recherche de solution (Riccati, inégalités matricielles contraintes, etc). Finalement une perspective mélangeant l'effet des correcteurs et des observateurs est brièvement présentée au travers de la méthode LQI et d'un observateur d'état et de perturbation. Des résultats de simulation et d'expérimentation encourageants sont également présentés tout en conservant des règles de synthèse simples et liées à la connaissance du comportement du système. ABSTRACT : The goal of this work is to define synthesis rules to follow with different controller structures to introduce robustness performances. The synchronous drive problem is studied with an elastic joint and a load with bounded parameters variations. Simple controller synthesis is applied and optimisation techniques and algorithms are added to found an optimal controller in the interval variation of inertia. We present here the rules to define a simple PID controller and we add in a first step an iterative method based on an expert knowledge on the system behaviour and in a second step a genetic Algorithm. This part let us define the 3 degrees of freedom (dof) optimally corresponding to the specification and whatever the load variation is. State space controllers are studied in a second part. An optimal pole placement is presented and the Linear Quadratic optimum control with Integral action is conduced. The first LQI method with also 3dof is presented linking these parameters to the poles and to the closed loop load behaviour. The second LQI method uses the poles positioning to determine the controller parameters. All controllers are tested in simulation not only with the elastic load model but also with the switched inverter behaviour (Pulse width modulation) and synchronous machine currant control. The internal control explains some phenomenon and structures and dynamics are detailed to explain how they could be neglected in the mechanical part. All controllers are implemented in DSpace environment to control an experimental drive constituted with a PWM inverter, self controlled synchronous machine and a mechanical load corresponding to the one studied in theory and simulation (elastic joint and wheels for inertia variations). Some other controllers are studied for more robust performances. But we focus the attention that complexity increases due to heavy mathematical formulation and heavy method to be used to obtain optimal solution (Riccati solution, solving LMI and constraints H1, reduction models, etc). Finally good results using controller and observer are briefly presented and constitute an interesting perspective. LQ and state space with load torque observer and compensation have shown good results. These approaches seem to be more effective for robust control and keep the link between parameters to be tuned and mechanical load behaviour

Other Institution (co-tutelle):Universidade Federal de Campina Grande (Brésil)
Department or laboratory:Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie - LAPLACE (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Nogeira Lima, Antonio Marcus and Fadel, Maurice
Uncontrolled Keywords:Commande robuste - Robustesse - Machine synchrone - Charge élastique - Variation paramétrique - PID - LQI - Observateur de couple résistant. KEYWORDS : Robust control - Robustness - Synchronous machine - Elastic load - Variable load - PID - LQ - Torque observer
Subjects:Electrical engineering
Deposited On:15 October 2010

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