Brevet FR2660705A1 — publié le 19911011

La presente invention est relative à un dispositif d'asservissement de effort exercé sur le piston d'un vérin hydraulique couplé à une charge et, plus particulièrement, & une suspension pour véhicule automobile équipée de vérins commandés par de tels dispositifs. On connaît des dispositifs d'asservissement en position du piston d'un vérin hydraulique, constitué classiquement d'un capteur de position du piston et d'une boucle de contre-réaction alimentée par un signal délivré par ce capteur, de manière à former un signal d'erreur par différence avec un signal représentatif d'une position de consigne, ce signal d'erreur commandant le vérin de manière à réduire l'écart entre la position réelle du piston et la consigne. Pour asservir l'effort exercé sur le piston du vérin à une valeur de consigne, lorsque celui-ci est couplé à une impédance mécanique variable par exemple, on peut songer à transposer le dispositif d'asservissement classique en boucle fermé décrit ci-dessus, en montant sur le piston un capteur d'effort et en tirant de la différence entre un signal délivré par ce capteur et un signal représentatif d'une valeur de consigne de l'effort, un signal d'erreur pour commander le vérin. En pratique, un tel dispositif fonctionne correctement si le piston du vérin reste fixe ou s'il n'est soumis qu'à des déplacements de faible vitesse, ce qui est le cas notamment quand l'impédance mécanique à laquelle ce piston est couplé est de valeur fixe ou faiblement variable. Si l'impédance mecanique est complexe, comme c'est le cas, par exemple, quand celle-ci peut être assimilée à une ou plusieurs masses associées à un ou plusieurs ressorts, on s'aperçoit que l'asservissement de l'effort établi par un dispositif du type décrit ci-dessus perd rapidement de son efficacité (ou de sa "robustesse" suivant le terme utilisé dans la technique) du fait des déplacements à vitesse non négligeable que de telles impédances impriment au piston, notamment lorsque ces impédances comprennent des ressorts de raideur relativement faible. On rencontre une telle situation dans la suspension de la caisse d'un véhicule automobile, lorsqu'on souhaite interposer entre cette caisse (masse "suspendue") et un support de roue (masse "non suspendue"), un vérin hydraulique asservi en effort, monté en parallèle avec un ressort, par exemple. Du fait des accidents de la surface sur laquelle roule la roue, la charge du piston du vérin est très variable et le piston est soumis à des déplacements brusques de grande amplitude, qui se développent donc à des vitesses importantes. Pour tenter d'améliorer la "robustesse" du dispositif d'asservissement en effort dans une telle situation, on peut agir sur le réglage de réseaux correcteurs du type PID par exemple, de la chaîne d'action de l'asservissement. On constate alors que ces réglages sont insuffisants pour assurer une bande passante correcte. La présente invention a donc pour but de réaliser un dispositif d'asservissement de l'effort exercé sur le piston d'un vérin hydraulique couplé à une charge qui ne présente pas cet inconvénient. En particulier, la présente invention a pour but de réaliser un tel dispositif qui présente une grande robustesse quand bien même l'impédance mécanique couplée au piston du vérin induirait des déplacements brusques de grande amplitude de ce piston. La présente invention a encore pour but de réaliser une suspension, notamment pour véhicule automobile, comprenant un vérin hydraulique commandé par un tel dispositif. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront dans la suite de la présente description, avec un dispositif d'asservissement de l'effort exercé sur le piston d'un vérin hydraulique couplé & une charge, comprenant une boucle de réaction négative alimentée par un signal délivré par un capteur sensible à cet effort. Suivant l'invention ce dispositif est remarquable en ce qu'il comprend en outre une boucle de réaction positive alimentée par un signal délivré par un capteur sensible & la vitesse du piston pour agir sur la chaîne d'action du dispositif d'asservissement de manière à compenser la partie du débit du fluide d'alimentation du vérin qui correspond au volume balayé par le piston du vérin pendant ses déplacements. La chaîne d'action délivre un courant de commande d'une servovalve distributrice à double effet associée au vérin, lui-même à double effet. La boucle de réaction positive du dispositif suivant l'invention comprend un réseau correcteur qui inverse la fonction de transfert de la servovalve, cette dernière pouvant être assimilée à un système du deuxième ordre. Suivant une autre caractéristique importante du dispositif selon l'invention, la boucle de réaction positive comprend en outre des moyens sensibles à l'effort exercé sur le piston du vérin pour compenser une chute de débit dans la servovalve liée à cet effort. La présente invention trouve avantageusement application dans une suspension de véhicule automobile comprenant, entre une masse suspendue formant partie de la caisse du véhicule et une masse non suspendue comprenant une roue de ce véhicule, un ressort et un vérin en parallèle, l'effort exercé sur le piston de ce vérin étant commandé par un dispositif d'asservissement conforme à la présente invention. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma du dispositif suivant l'invention, - la figure 2 est un schéma fonctionnel de l'asservissement incorporé au dispositif de la figure 1, dans une application à la commande d'un vérin incorporé à la suspension d'un véhicule automobile. On se réfère d la figure 1 du dessin annexé où on a représenté un vérin hydraulique * double effet V comprenant un piston P. De tels vérins sont bien connus dans la technique et ne seront donc pas décrits en plus de détails dans la suite. Le piston P délimite dans le vérin deux chambres C1, C2 qui sont alimentées, à travers une servovalve SV, par une source de fluide sous pression P0. La servovalve SV est du type bien connu à commande électrique et règle le débit de fluide entre la source PO et une bâche (non représentée) ; à travers le vérin V. A titre d'exemple de servovalve utilisable dans la présente invention, on peut citer la servovalve type 76125 vendue en France par la Société MOOG S.a.r.l et qui fonctionne par pilotage d'un distributeur à quatre voies. Le piston P est couplé mécaniquement à une charge (non représentée). Cette charge peut être de tout type connu. Cependant, comme on l'a vu plus haut, la présente invention trouve plus particulièrement application et utilité quand l'impédance mécanique couplée au piston est variable et susceptible d'imprimer & ce piston de brusques déplacements d'amplitude substantielle. Si on souhaite alors asservir l'effort exercé sur le piston ainsi chargé à une valeur de consigne, il faut prévoir classiquement un capteur d'effort CF agencé de manière à délivrer un signal représentatif de l'effort appliqué au piston P. De nombreux capteurs d'effort de types variés peuvent être utilisés à cet effet, notamment des capteurs à jauge de contrainte. Le signal F alors délivré par le capteur CF alimente une entrée d'un circuit de commande électronique 1 qui reçoit par ailleurs un signal Fc représentatif d'un effort de consigne auquel il faut asservir l'effort F. Les fonctionnalités de ce circuit sont illustrées en plus de détails sur le schéma de la figure 2 où il apparaît que le circuit 1 matérialise un dispositif d'asservissement & boucle fermé dont la chaîne d'action comprend, à titre d'exemple illustratif et non limitatif, un premier réseau correcteur RCl, un amplificateur G1 & BR Le dispositif d'asservissement en effort decrit Jusqu'à présent demeure d'un type classique. On a vu cependant dans le préambule de la présente description que les dispositifs d'asservissement connus supportent mal des charges d'impédance variable susceptibles d'imprimer de brusques déplacement au piston, à des vitesses importantes. Avant de décrire la solution apportée par la présente invention au problème à résoudre, à savoir assurer la "robustesse" d'un dispositif d'asservissement en effort d'un vérin ainsi chargé, il est utile de procéder à une analyse du fonctionnement de ce vérin. A chaque instant on peut décomposer le débit de fluide total Q contrôlé par la servovalve SV en trois parties - un débit de "compression" QCP lié à la compressibilité du fluide. C'est grâce à cette compressibilité que le fluide peut monter en pression.Cette montée en pression s'accompagnant d'une réduction de volume compensée par le débit QCPT - un débit "de fuite" QF correspondant au fluide qui passe d'une chambre (C1, C2 ) dans l'autre, entre le piston et le cylindre du vérin, quand il y a déséquilibre des pressions du fluide de part et d'autre du piston, - un débit "moteur" 0, correspondant au remplissage d'un volume balayé par le piston quand celui-ci se déplace dans le cylindre. il est clair que cette composante QI du débit total Q est proportionnelle à la vitesse du piston. Lorsque celle-ci est nulle ou petite, le débit moteur Qs est de même nul ou petit et n'influence que très peu la mise en pression du fluide dans le vérin. On observe alors qu'un dispositif d'asservissement en effort classique, à boucle de retour d'effort, fonctionne de manière satisfaisante. Si au contraire l'état de charge du vérin est tel que le piston du vérin subit des déplacements brusques de grande amplitude, comme c'est le cas par exemple lorsque le vérin est installé entre châssis et roue dans une suspension de véhicule automobile, on observe que la plus grande partie du débit Q commandé par la servovalve correspond au débit moteur Q. Les pressions dans les chambres du vérin ne s'établissant pas de manière instantanée, on observe pendant les variations du courant de servovalve des régimes transitoires pendant lesquels la pression dans le vérin peut varier rapidement entre O et PO, régimes transitoires pendant lesquels apparaissent donc des décompressions du fluide qui affectent la stabilité de l'effort commandé sur le piston du vérin. Les causes de cette situation se trouvent dans le fait qu'une servovalve distributrice à double effet constitue un générateur de vitesse (du piston du vérin commandé) et non d'effort sur ce piston. La mise en pression du fluide dans une chambre du vérin n'est possible qu'après comblement par ce fluide du volume balayé par le piston pendant un déplacement de celui-ci. Suivant une caractéristique essentielle de la présente invention, on compense le débit moteur Q, nécessaire & ce comblement et responsable de la déstabilisation de l'effort, en injectant dans la servovalve un courant supplémentaire d'intensité quantifiée grâce & un signal fourni par un capteur de vitesse CV sensible à la vitesse de déplacement du piston P. Convenablement réglé, ce courant supplémentaire, proportionnel à la vitesse du piston et donc au débit Q, permet suivant l'invention de compenser ce débit Q, dû, en fait, à l'action de la charge sur le vérin. On supprime ainsi l'influence de la fonction de transfert de la charge en maintenant le vérin en état de compression, quelle que soit la vitesse du piston induite par la charge, tout comme si ce piston était bloqué. Grâce à cette disposition, la stabilité de l'asservissement est assurée et la "robustesse" du dispositif obtenue. En pratique (voir figure 1) le signal délivré par le capteur de vitesse CV est fourni à un module 2 de compensation de vitesse dont les fonctionnalités essentielles apparaissent sur la figure 2. Ce module 2 prend la forme d'une boucle de réaction positive comprenant au moins un réseau correcteur RC3, la boucle se fermant sur la chaîne d'action entre le réseau correcteur RC2 et l'amplificateur de servovalve ASV. On peut améliorer la bande passante du dispositif en utilisant un réseau RC3 semi-dérivateur ayant une fonction de transfert de la forme (1 + rlp)/(l + t,p), t1 étant ajusté pour compenser le premier ordre de la fonction de transfert de la servovalve. Le réseau correcteur RC3 peut aussi être conçu pour ajuster le gain de la boucle 2 à une valeur légèrement inférieure à 1 pour éviter de créer un effet de réaction comme il est bien connu de l'automaticien. On peut encore améliorer l'efficacité de la boucle de réaction positive en lui incorporant une correction dite "d'effort". On observe en effet une chute de débit dans la servovalve du fait d'une perte de charge liée à la différence des pressions dans les deux chambres du vérin, donc à l'effort exercé sur le piston du vérin. Le débit moteur étant Q,, on démontre que cette chute affecte le débit moteur Qs d'un coefficient où Fo = P0 S, Fo étant l'effort statique sur le piston du vérin et S la section efficace du piston, dans un vérin où cette section est la même dans les deux chambres. Suivant une caractéristique avantageuse du dispositif d'asservissement selon l'invention, on introduit dans la boucle de réaction positive un réseau correcteur supplémentaire RC4 de fonction de transfert Qs - F/Fo )~ 1/ 2 qui permet de tenir compte de la décroissance du débit moteur Q5 en fonction de la charge du vérin. On a illustré à la figure 2 une application du dispositif suivant l'invention à l'asservissement en effort d'un vérin incorporé à une suspension de véhicule automobile. L'incorporation d'un vérin asservi en effort à une telle suspension, entre le châssis du véhicule et un support de roue, permet de faire varier la raideur de la suspension en fonction de l'état de la route et en particulier, des accidents de terrain que la roue rencontre sur celle-ci. Comme représenté à la figure 2, la suspension est schématisée par le vérin V et un ressort de suspension R1, monté en parallèle entre une masse "suspendue" m1 et une masse "non suspendue" m2. La masse suspendue correspond à la part de la masse de la caisse du véhicule qui est supportée par une roue tandis que la masse m2 représente le poids d'une roue et de son support, le ressort R2 représentant le pneumatique équipant à la roue. A la différence du schéma de la figure 1, les deux capteurs CV et CF sont représentés à la figure 2 d'un même côté du piston, celui-ci ne traversant pas le vérin à cette figure. La consigne d'effort Fc peut être modifiée par un calculateur embarqué dans le véhicule ou par une commande manoeuvrée par le conducteur. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Ainsi, les sections efficaces du piston du vérin pourraient être différentes dans les deux chambres C1, C2 Dans ce cas la réaction positive en vitesse appliquée à la chaîne d'action doit tenir compte du sens de déplacement du piston. A cet effet on peut, par exemple, prévoir deux boucles de réaction positives et distinctes et un moyen de commutation de l'une ou l'autre boucle dans le dispositif, en fonction du sens de déplacement du piston. De même le point d'injection de la réaction positive en vitesse pourrait se trouver ailleurs qu'entre le réseau RC2 et l'amplificateur ASV, par exemple en amont du réseau RC2, ou de l'amplificateur G1 ou même du réseau RC1, moyennant des réglages adaptés de ces moyens. L'invention peut trouver application dans tous les domaines où l'on souhaite asservir en effort un vérin commandé par une servovalve et non pas seulement dans une suspension de véhicule automobile. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'asservissement de l'effort exercé sur le piston d'un vérin hydraulique couplé à une charge, comprenant une boucle de réaction négative alimentée par un signal délivré par un capteur sensible à cet effort, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend en outre une boucle de réaction positive (2) alimentée par un signal délivré par un capteur (CV) sensible * la vitesse du piston pour agir sur la chaîne d'action du dispositif d'asservissement de manière à compenser la partie (qui) du débit du fluide d'alimentation du vérin qui correspond au volume balayé par le piston du vérin pendant ses déplacements. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la chaîne d'action délivre un courant (ISV) de commande d'une servovalve distributrice (SV) à double effet associé au vérin (V), lui-même à double effet. 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que la boucle de réaction positive (2) comprend un réseau correcteur (RC3) pour compenser la fonction de transfert de la servovalve (SV). 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que la boucle de réaction positive (2) comprend des moyens de réglage du gain de la boucle, à une valeur inférieure à 1. 5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la boucle de réaction positive (2) comprend en outre des moyens (RC4) sensibles à l'effort exercé sur le piston du vérin de ce piston pour compenser une chute de débit liée à cet effort, dans la servovalve (SV). 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens présentent une fonction de transfert de la forme Q (1 - F/F0)-112 où Qs = débit de fluide correspondant au volume balayé par le vérin, F = effort exercé sur le piston du vérin, Fo = effort statique sur le piston du vérin. 7. Dispositif conforme & l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la boucle de réaction positive (2) réagit sur la chaîne d'action, à l'entrée d'un amplificateur (ASV) du courant de servovalve. 8. Dispositif conforme & la revendication 7, caractérisé en ce que la chaîne d'action est du type PID. 9. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 8, pour vérin à double effet dont le piston présente des sections de surfaces différentes dans les deux chambres du vérin, caractérisé en ce qu'il comprend deux boucles de réaction positive et des moyens pour activer l'une ou l'autre des boucles, suivant le sens du déplacement du piston. 10. Suspension pour véhicules automobile comprenant, entre une masse suspendue (m2) formant partie de la caisse du véhicule et une masse non suspendue (ml) comprenant une roue de ce véhicule, un ressort de suspension (R1) et un vérin (V) en parallèle, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif d'asservissement de l'effort exercé sur le vérin conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.