Brevet FR2254056A1 — publié le 19750704

La présente invention concerne un système de servo-commande pour des machines automatiques telles que des robots industriels et analogues, dans lequel un organe de commande est actionné par l'intermédiaire d'un servo-distributeur. in général, dans un système de servo-commande digitale du type à boucle fermée comportant un servo-distributeur, une valeur réelle ou instantanée détectée par un codeur est comparée à une valeur de référence et un signal d'erreur obtenu du fait de la comparaison est soumis à une conversion numérique-analogique et le signal obtenu est amplifié. En réponse à ce signal d'erreur amplifié, un organe de commande est déplacé dans le sens voulu pour réduire le signal d'erreur et il est arrêté dans la position pour laquelle le signal d'erreur devient nul. Pour améliorer la précision du positionnement dans un tel système de commande à boucle fermée, il est nécessaire d'augmenter le gain de la boucle. Cependant, si le gain de la boucle est augmenté, le système devient instable et un effet de pompage peut avoir lieu. De plus, il est nécessaire d1améliorer le pouvoir de résolution du codeur de sorte que son prix est augmenté. Par contre, Si le système décrit ci-dessus est commandé en système à boucle ouverte, il se produit de façon évidente une erreur substantielle de positionnement du fait d'une dérive et/ ou de l'hystérésis du servo-distributeur. La présente invention a pour but de fournir un système de servo-commande ayant une précision très stable pour le positionnement tout en étant construit avec des éléments peu coûteux. Suivant une caractéristique, l'invention concerne un système de servo-commande du type à boucle semi-ouverte dans lequel un signal erreur obtenu par comparaison d'une valeur lnstanta- née de réaction à une valeur de référence prédéterminée est appliqué à un organe de commande par l'intermédiaire d'un servodistributeur, ce système est caractérisé en ce qu'un servo-distributeur à recouvrement est utilisé comme servo-distributeur et que le signal entrant pour ce servo-distributeur à recouvrenent est appliqué à travers un amplificateur opérationnel ayant des caractéristiques de référence telles qu'une commande en boucle fermée puisse être établie dans la région de commande dans laquelle le la valeur instantanée de l'organe de commande approche de la valeur de référence en étant déceléré et qu'une commande en boucle ouverte soit établie après que la valeur instantanée est arrivée au voisinage de la valeur de référence. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels Fiv.1 est un diagramme de la vitesse en fonction de la distance d'un organe de commande utilisé selon l'invention, Six.2 est le schéma général d'un système de servo-commande selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, Fig.3 est une coupe longitudinale de la partie de commande du fluide d'un servo-distributeur à recouvrement selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, Fig.4 est un diagramme montrant la réponse au débit du servo-distributeur à recouvrement de la fig.3, Fig.5 est un dîagramme montrant la réponse à la commande d'un amplificateur opérationnel utilisé selon l'invention, Fig.6 est un diagramme de la réponse à la vitesse d'écoulement similaire à celui de la fig.4 ayant une frontière entre les régions de commande telles que représentées sur la fig.5, et Fig.7 est le schéma général d'un système de servo-commande digitale du type à boucle fermée classique. Avant de décrire la présente invention, il est utile de décrire brièvement la construction d'un système de servo-commande classique en considérant la fiv.?. Dans ces systèmes classiques, un signal de valeur actuelle ou instantanée représentant à chaque instant la distance de déplacement d'un organe de -commande 14 est produit par un codeur 16 et il est envoyé à une entrée d' un soustracteur 3. Un signal de valeur de référence représentant la valeur désirée pour la distance de déplacement de l'organe de commande 14 est envoyé par un dispositif instructeur 1 à l'autre entrée du soustracteur 3 qui soustrait la valeur de référence de la valeur instantanée pour établir un signal d'erreur.Comme tous ces signaux représentent en général les valeurs respectives sous une forme digitale, le signal d'erreur digital est converti à la forme analogique par un convertisseur digital-analogique 5 dont le signal est amplifié par un servo-amplificateur 9, le signal d'erreur analogique amplifié étant ensuite appliqué à un servodistributeur 11 pour que ce servo-distributeur puisse envoyer un fluide sous pression à l'organe de commande 14 avec un débit dont la valeur et la direction sont déterminées par l'amplitude et la polarité du signal d'erreur afin de réduire l'erreur à zéro. Quand le signal dterreur est nul, le déplacement de l'organe de commande 14 est arreté. Comme il a été indiqué ci-dessus, des in convénients de ces systèmes de servo-commande connus du type à boucle fermée sont que si le gain de la boucle est augmenté pour améliorer la précision de positionnement, le système devient instable et que si-le pouvoir de résolution du codeur est augmenté pour améliorer la précision, le système devient comateux. Le principe de fonctionnement d'rlt système de servo-commande du type à boucle semi-ouverte est décrit ci-après en considérant la fig.1. Comme le montre schématiquement la fig.1, conformément à l'invention, la distance de déplacement de l'organe de commande 14 approche d'une valeur désirée ou d'une valeur de ré férence par phases d'accélération puis de déplacement de ltorga- ne de commande à une vitesse élevée constante et ensuite de décélération sous la commande d'une boucle fermée, et quand la distance de déplacement a atteint une valeur voisine de la valeur de référence, commande est convertie à un type à boucle ouverte, ctest-à-dnre que le courant envoyé au servo-distributeur est ren- du indépendant du signal d'erreur, ce courant variant dans le temps et étant maintenu à une valeur constante pour maintenir une vitesse fixe de ltorgane de commande. Cependant, quand le signal d'erreur est arrivé à zéro, le servo-distributeur est momentanément bloqué pour arrenter l'organe de commande. Pour obtenir le fonctionnement considéré ci-dessus, le système de servo-commande du type à boucle semi-ouverte selon l'invention, est caractérisé par l'utilisation d'un servo-distributeur à recouvrement pour le servo-distributeur Il de la fige? et un amplificateur opérationnel 7 est interposé entre le convertisseur digital-analogique 5 et le servo-amplificateur 9 de la fiv.?, cet amplificateur opérationnel ayant la caractéristique de réponse voulue pour obtenir les fonctions considérées ci-dessus. Ce nouveau système de servocommande a l'avantage de permettre une précision très stable pour le positionnement à un prix faible, le système n'étant de plus pas affecté de façon nuisible par les excursions et/ou lthystéré- sis du servo-distributeur. La construction et le fonctionnement d'un système de servocommande selon 1' invention sont décrits plus en détail ci-après relativement à un mode de mise en oeuvre préféré et en considérant les fig.2 à 6. Dans le système selon l'invention représenté sur la fig.2, un signal de valeur de référence 2 est appliqué sous une forme digitale par un dispositif d'instructions 1 au système de servocommande d'après une mémoire ou une instruction de l'extérieur et il eSt comparé dans un soustracteur 3 à un signal 17 représentant une valeur instantanée d'un organe de commande 14, ce signal étant envoyé en réaction par un cable de transmission 15 et étant détecté par un décodeur 16 afin que la valeur de référence puisse être retranchée de la valeur instantanée pour produire un signal d'erreur 4. Ce signal digital d'erreur 4 est converti en un signal d' erreur analogique 6 par un convertisseur digital-analogique 5. Le signal d'erreur analogique 6 est soumis à une commande de font tion, qui est l'une des caractéristiques de l'invention comme il est expliqué plus loin, dans un amplificateur opérationnel 7 et la tension de commande 8 de la sortie de l'amplificateur est ensuite amplifiée en puissance par un servo-amplificateur 9 pour être appliquée au servo-distributeur Il en tant que courant de commande 10. Le servo-distributeur 11 reçoit de l'huile sous pression 12 d'une source de liquide hydraulique sous pression afin que le débit d'huile sous pression à travers les passages hydrauliques 13 et 13' soit commandé par le courant de commande 10, et-le courant d'huile sous pression est envoyé à l'organe de commande 14 pour commander le signal sortant de-l'ensemble du système. Comme il a été indiqué ci-dessus, le servo-distributeur Il est un servo-distributeur à recouvrement tel que représenté sur la fig.3 au point mort, selon une autre caractéristique de l'invention. Dans ce servo-distributeur à recouvrement, les parties de grand diamètre d'un tiroir 22 et les parties correspondantes entre les lumières d'arrivée de l'huile 23, 23' et une lumière de sortie 24 sont à recouvrement d'une valeur Ax de la façon représentée sur la fig.3. Dans une partie précédente formant un amplificateur hydraulique (non représenté) du servo-distributeur 11, une différence de pression entre les pressions hydrauliques 26 et 26' appliquées aux extrémités opposées du tiroir 22 du distributeur est engendrée en fonction du courant d'asservissement 10.Le tiroir 22 est déplacé en réponse à cette différence de pression, et en réponse au sens et à la distance de ce déplacement de l'huile sous pression est envoyée à l'organe de commande 14 et est déchargée de celui-ci avec un débit commandé à travers les lumières 25, 25' et les passages hydrauliques 13, 13'. Cependant, comme le servo-distributeur à recouvrement est caractérisé par une relation de recouvrement iSx de la façon dd- crite ci-dessus, la relation du débit en fonction du courant d' asservissement 10 prend la forme représentée sur la fig.4 suivant laquelle pour une plage du courant entrant 29 nécessaire pour déplacer le tiroir de la distance de recouvrement, le débit sortant est maintenu égal à zéro, tandis que quand ce déplacement est dépassé, le débit augmenté le long des droites 28 et 30 proportionnellement à l'excédent du courant. La fig.5 montre la commande de fonctionnement décrite ci dessus, ctest-à-dire la réponse à la commande de llamplificateur opérationnel 7 dans lequel le courant est commandé en réponse à un signal entrant proportionnel à l'erreur de déplacement le long des droites 31-32-33 (31'-32'-33'). La fig.6 montre la réponse en débit du servo-distributeur à recouvrement quand il est commandé par le courant d'asservissement 10 obtenu à partir de la sortie de l'amplificateur opérationnel 7 ayant la réponse de commande telle que représentée sur la fig.5. La vitesse de l'organe de commande 14 est alors proportionnelle au débit de sortie du servo-distributeur à recouvrement 11. En considérant les fig.5 et 6, dans la région de commande dans laquelle l'erreur ou différence entre la valeur de référence ce et la valeur instantanée dépasse une valeur spécifique B représentée en abscisses sur la fig.5, un courant constant de vitesse élevée Ih est appliqué à l'entrée du servo-distributeur Il indépend mment de l'amplitude du signal d'erreur et, par suite, le débit est maintenu à une valeur constante de grande vitesse ce ce qui se traduit par le déplacement de l'organe de commande 14 à une grande vitesse constante Ensuite, dans la région de commande dans laquelle l'erreur est comprise entre les valeurs données B et À de la fig.5, le courant d'asservissement est réduit proportionnellement à la variation de 1' erreur le long de la droite 32 de Ih à 1c par commande en boucle fermée, et par suite le débit est réduit linéairement de à c Qc le long de la droite 34 de la fig.6, ce qui se traduit par la décélération de l'organe de commande.Quand l'erreur a atteint la valeur A, la commande est convertie en une commande en boucle ouverte dans la région de commande comprise entre Â et 0 en raison de la réponse de commande particulière de l'amplificateur opérationnel 7, ainsi que le montre la fig.5, et par suite le courant d'asservissement est maintenu à une valeur constante de marche au ralenti 1c le long de la droite 33. Par suite, le débit du servo-distributeur Il est aussi maintenu à un débit constant de ralenti Qc de la façon indiquée sur la fig.6 et, par suite, la vitesse de I 'organe de commande est maintenue à une valeur fixe de marche au ralenti.Finalement, dès que terreur arrive à zéro, le courant d'asservissement est momentanément réduit de Ic à zéro et le tiroir 22 du servo-distributeur Il est ramené au point mort momentanément, ce qui se traduit par l'interruption du déplacement dans le système de servo-commande. il doit être noté à ce point aue bien. aue le système soit - au momentel'arre sous une commande en boucle ouverts la position stationnaire ne sera pas décalée par l'excursion du servo-distributeur, et que la fuite d'huile sous pression au point mort peut être très faible parce que la valeur du recouvrement dans le servo-distributeur est choisie supérieure (environ 10%o) à la valeur de l'excursion (normalement 2 à 3%) et que par suite, le déplacement après l'arrêt peut être ramené à une valeur pratiquement insignifiante. Comme il a été indiqué ci-dessus, dans un système de servocommande selon l'invention, un servo-distributeur à recouvrement est utilisé et une commande du fonctionnement est obtenue au moyen d'un amplificateur opérationnel de façon telle que, dans la région de commande dans laquelle la valeur instantanée approche de la valeur de référence avec décélération, 11 organe de commande est décéléré par une commande en boucle fermée tandis que dans a région de commande située à proximité de la valeur de référence une vitesse constante de marche au ralenti est maintenue par une commande en boucle ouverte, et que finalement à la valeur de référence le servo-distributeur est ramené graduellement au point mort pour fermer les passages hydrauliques vers 1' organe de commande. Le système de servo-commande selon l'invention permet les effets et les avantages suivants. ( À l'arrêt d'une pièce d'un poids élevé déplacée à grande vitesse, la production d'une force d'impulsion est atténuée par une décélération sous une commande en boucle fermée, et par suite, une précision stable peut être obtenue pour l'arrêt. (2) Comme la position pour laquelle la vitesse est convertie en vitesse de ralenti n'a pas à être définie avec précision, le gain de la réaction peut être prédéterminé dans cette région stable du système. (3) Comme à proximité de la position d'arrêt, une vitesse fixe de ralenti est maintenue par une commande en boucle ouverte, et comme à la valeur de référence cette vitesse est réduite à zéro pour arrêter le système, le pouvoir de résolution du codeur pour détecter la position peut être du même ordre que la précision pour le positionnement. (4) À l'arrêt pour le positionnement, le pompage ou recez che d'équilibre du système ae commande n'aura pas lieu en raison de la commande en boucle ouverte. (5) En raison de l'utilisation d'un servo-distributeur à recouvrement, pendant la commande en boucle ouverte le système de servo-cnwmande n'est pas affecté par une excursion et/ou 1 hystérésis du servo-distributeur. (6) Les fuites dans le servo-distributeur à recouvrement sont très faibles au point mort et, par suite, une précision stable de positionnement peut entre obtenue. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limita- tive et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. REVENDICAEION Système de servo-commande du type à boucle semi-ouverte, dans lequel un signal d'erreur établi en comparant une valeur instantanée de réaction à une valeur de référence prédéterminée est appliqué à un organe de commande par l'intermédiaire d'un servo-distributeur, caractérisé en ce que le servo-distributeur est un servo-distributeur à recouvrement et reçoit le signal d' erreur par l'intermédiaire d'un amplificateur opérationnel ayant une caractéristique de réponse telle qu'une commande en boucle fermée soit établie dans la région de commande dans laquelle 1' organe de commande approche de la valeur de référence en étant décéléré et qu'une commande en boucle ouverte soit établie après que la valeur instantanée a atteint le voisinage de la valeur de référence.