Brevet FR2667907A1 — publié le 19920417

La présente invention est relative à un dispositif d'asservissement de l'effort exercé sur le piston d'un vérin hydraulique couplé à une charge et, plus particulièrement, à une suspension pour véhicule automobile munie 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 fermée 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 mécanique 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 à une charge, comprenant une boucle de réaction 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 deuxième boucle de réaction interne à la première et introduisant dans la chaîne d'action du dispositif une correction parallèle à celle introduite par la première boucle et fonction de la dérivée de l'effort mesuré par le capteur. 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 interne présente un gain qui est fonction d'une bande passante prédéterminée choisie pour la boucle externe ouverte. Le choix de la bande passante est fait en fonction de l'application envisagée du dispositif selon l'invention, comme on le verra dans la suite de la présente description. Suivant une autre caractéristique du dispositif selon 1 invention, la chaîne d'action comprend un correcteur à avance de phase qui donne une marge de phase déterminée à la deuxième boucle, de manière à assurer la stabilité du dispositif. Suivant encore une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, un correcteur PI à action proportionnelle et intégrale est introduit dans la chaîne d'action entre les retours des deux boucles de réaction pour améliorer encore la précision du dispositif en régime permanent et le temps d'établissement de celui-ci. 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 du dessin annexé dans lequel - 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, et - la figure 3 illustre une application de ce dispositif à la commande d'un vérin incorporé à la suspension d'un véhicule automobile. On se réfère à la figure 1 du dessin annexé où on a représenté un vérin hydraulique à 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 Ch1, Ch2 qui sont alimentées, à travers une servovalve SV, par une source de fluide sous pression PO. 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 à 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 à boucle fermée dont la chaîne d'action agit sur un bloc représentatif de l'ensemble servovalve (SV) et vérin (V) de la figure 1. La boucle comprend un retour d'effort F sur un comparateur C1 qui reçoit sur son entrée positive l'effort de consigne Fc . La chaîne d'action peut encore comprendre, de manière optionnelle, des correcteurs Cext et Ab dont on expliquera le rôle dans la suite. Un dispositif d'asservissement classique à simple retour d'effort tel que décrit ci-dessus supporte mal des charges d'impédance variable susceptibles d'imprimer de brusques déplacements au piston, à des vitesses importantes, du fait qu'il présente une faible bande passante. Suivant la présente invention on élargit sensiblement cette bande passante en ajoutant à la boucle de retour d'effort, une deuxième boucle interne et imbriquée à la précédente qui introduit une correction parallèle en dérivée d'effort. Cette correction est symbolisée à la figure 2 par le bloc repéré par l'opérateur de Laplace p, qui assure la dérivation appliquée à l'effort F et par le bloc K par symbolisant le gain de la chaîne de réaction parallèle de la deuxième boucle, qui se ferme sur un comparateur C2 situé en aval du comparateur C1 dans la chaîne d'action de la première boucle. Dans l'application mentionnée plus haut à la commande en effort d'un vérin formant partie de la suspension d'un véhicule automobile, la bande passante de la boucle ouverte externe doit être choisie de manière que l'asservissement supporte les brusques variations de charge dont on a fait état (de l'ordre de 300 rd/s). L'ajustement du gain K par permet d'obtenir cette bande passante. Cependant il en résulte une mauvaise stabilité de la boucle interne du fait que sa marge de phase est alors de quelques degrés seulement. Suivant l'invention on pallie cet inconvénient en introduisant dans la chaîne d'action de cette boucle un correcteur. On peut choisir par exemple un correcteur à avance de phase A du type pseudo-dérivateur, de fonction de transfert K1 (1 + alp)/(l + a2p) où a1 > a2 et où K1 est une constante de gain. L'examen de la réponse indicielle d'un dispositif d'asservissement ainsi modifié fait cependant apparaître encore de faibles oscillations de la charge que l'on peut souhaiter atténuer pour améliorer la précision du dispositif. Suivant l'invention on utilise à cet effet un correcteur extérieur Cext du type PI, installé entre les comparateurs C1 et C2, et calculé pour ne pas altérer la boucle ouverte au-delà de la pulsation choisie pour définir la bande passante disponible. Il s'agit alors d'un correcteur pseudo-intégrateur de fonction de transfert K4 (1 + a3p)/(1 + a4p) ou a3 On atténue ainsi efficacement les oscillations de la charge dues à une paire de pôles complexes créée par le bouclage au voisinage de la pulsation d'un zéro de transmission de la réponse fréquentielle du dispositif d'asservissement. Un tel zéro est en effet introduit par le bouclage à la pulsation J0 = ffK/M quand on assimile la charge à un ressort de raideur K couplé à une masse M. Ainsi l'invention permet-elle, grâce à l'introduction d'un retour en dérivée d'effort, de réaliser un dispositif d'asservissement "robuste" supportant de brusques variations de l'impédance mécanique de la charge, comme c'est le cas d'un vérin de suspension de véhicule automobile. On a illustré à la figure 3 une application du dispositif suivant l'invention à l'asservissement en effort d'un tel vérin. 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 3, 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 la roue. A la différence du schéma de la figure 1, le piston P ne traverse pas le vérin, ce qui est sans conséquence sur le fonctionnement du dispositif. Le circuit 1 est connecté comme sur la figure 1. On a fait apparaître en outre son alimentation par une source de tension Valiez 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, la dérivée d'effort pourrait être obtenue à l'aide d'un capteur approprié plutôt que par un circuit dérivateur. De même, cette dérivation et le correcteur PI utilisé pour constituer le correcteur Cext pourraient être tirés d'un correcteur PID classique dans lequel l'action dérivée du correcteur PID ne porterait que sur la mesure fournie par le capteur d'effort. En outre on pourrait combiner la correction suivant l'invention à la correction "de débit" qui fait l'objet de la demande de brevet No. 9004576 du 10 avril 1990, déposée au nom de la demanderesse. Cette correction est obtenue grâce à des moyens de compensation de la partie du débit du fluide d'alimentation du vérin qui correspond au volume balayé par le piston du vérin pendant ses déplacements. Cette combinaison de corrections permettrait d'améliorer encore la robustesse du dispositif ainsi que le temps de réponse de l'asservissement par une anticipation sur les variations du débit d'huile. 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 (P) d'un vérin hydraulique (V) couplé à une charge, comprenant une boucle de réaction négative alimentée par un signal délivré par un capteur (CF) sensible à cet effort, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend en outre une boucle de réaction interne à la première et introduisant dans la chaîne d'action du dispositif une correction parallèle à celle introduite par la première boucle et fonction de la dérivée de l'effort mesuré par le capteur (CF). 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la chaîne d'action délivre un courant (1su) de commande d'une servovalve distributrice (SV) à double effet associé au vérin, lui-même à double effet. 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que la boucle de réaction interne présente un gain (K par fonction d'une bande passante prédéterminée choisie pour la boucle ouverte externe. 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que la chaîne d'action comprend un correcteur à avance de phase (A9) assurant une marge de phase prédéterminée à la deuxième boucle de réaction. 5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un correcteur (PI) à action proportionnelle et intégrale est introduit dans la chaîne d'action entre les retours (C1, C2) des première et deuxième boucles de réaction. 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'un correcteur (PID) à action proportionnelle, intégrale et dérivée est utilisé pour constituer ledit correcteur (PI), l'action dérivée du correcteur (PID) étant appliquée sur la mesure fournie par le capteur d'effort (CF). 7. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de compensation de la partie du débit de fluide d'alimentation du vérin qui correspond au volume balayé par le piston du vérin pendant ses déplacements. 8. Suspension pour véhicule automobile comprenant, entre une masse suspendue (m1) formant partie de la caisse du véhicule et une masse non suspendue (m2) constituée par 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 6.