Brevet FR2705122A1 — publié le 19941118

DISPOSITIF D'ASSERVISSEMENT EN POSITION D'UN DISPOSITIF HYDRAULIQUE La présente invention concerne un dispositif d'asservissement en position opto-alimenté à fibre optique. Elle peut être appliquée à l'asservissement en position de tous types de dispositifs hydrauliques et elle peut notamment être utilisée dans les circuits de commande et de détection de position des commandes de vol dans un avion, ou dans des dispositifs de régulation des turbomachines. Dans les dispositifs classiques d'asservissement d'un dispositif hydraulique en position, par exemple pour l'asservissement d'un doseur de débit de carburant ou l'asservissement d'un vérin, il est connu d'utiliser un ou plusieurs capteurs de position pour mesurer la position du dispositif hydraulique et transmettre cette information de retour à un dispositif de comparaison comparant une valeur de consigne délivrée par un dispositif de commande à la position réelle mesurée, le signal d'erreur issu de la comparaison étant ensuite utilisé pour corriger la position du dispositif hydraulique dans un sens permettant de réduire le signal d'erreur jusqu'à ce que la position mesurée du dispositif hydraulique coïncide avec la valeur commandée.Généralement, les dispositifs d'asservissement sont situés à l'extérieur du dispositif hydraulique et par exemple en liaison avec un calculateur fournissant les ordres de commande. Ces dispositifs connus présentent un certain nombre d'inconvénients notamment dus au fait qu'ils nécessitent l'utilisation d'au moins un capteur de position pour vérifier la bonne exécution des ordres de commande. La présence de ce capteur nécessite l'emploi de deux connecteurs électriques pour assurer la liaison entre -le capteur et le dispositif fournissant les ordres de commande, par exemple un calculateur, et pour assurer la liaison entre le calculateur et le dispositif d'asservissement afin de transmettre les ordres de commande. Or la présence des connecteurs électriques impose une dimension minimale au boîtier du calculateur et dans le cas d'une application aéronautique, impose la présence d'autant de harnais électriques qu'il y a de connecteurs. Ces installations sont complexes, coûteuses et encombrantes.Par ailleurs les connexions électriques étant sensibles aux rayonnements électromagnétiques et notamment à la foudre, il est également nécessaire de prévoir des dispositifs supplémentaires pour protéger ce type de matériel contre les rayonnements électromagnétiques. L'invention a pour objet de résoudre les problèmes des dispositifs d'asservissement en position connus et de proposer un dispositif d'asservissement qui soit moins coûteux, moins volumineux et moins sensible aux rayonnements électromagnétiques. Pour cela, le dispositif d'asservissement proposé par l'invention ne comporte pas de capteur de position classique, et ne nécessite pas l'emploi de connecteurs électriques. I1 ne comporte qu'une seule liaison optique et ne nécessite qu'un connecteur optique pour transmettre des ordres de commande optique du calculateur vers le dispositif d'asservissement. Le dispositif hydraulique à asservir est associé à un dispositif à tiroir mobile de façon que les déplacements du dispositif hydraulique se traduisent par des déplacements équivalents du tiroir mobile.Le tiroir est réalisé dans un matériau opaque à la lumière et comporte une ouverture à opacité variable dont le coefficient de transmission varie suivant une loi préalablement choisie avec le déplacement du tiroir. La puissance optique de consigne est transmise par l'intermédiaire de fibres optiques et après passage au travers de l'ouverture du tiroir mobile, à un actionneur électro-hydraulique alimentant le dispositif hydraulique à asservir. Ainsi la puissance optique de consigne est transmise avec un coefficient de transmission caractéristique de la position du tiroir mobile et par conséquent caractéristique de la position du dispositif hydraulique à asservir. Selon l'invention, le dispositif d'asservissement en position d'un dispositif hydraulique est caractérisé en ce qu'il comporte - un dispositif à tiroir mobile associé au dispositif hydraulique de façon qu'à un déplacement du dispositif hydraulique corresponde un déplacement équivalent du dispositif à tiroir, le dispositif à tiroir étant réalisé dans un matériau opaque à la lumière et comportant une ouverture à opacité variable, ayant un coefficient de transmission variable, suivant une loi préalablement choisie, avec le déplacement du tiroir - des moyens de commande du dispositif hydraulique recevant une puissance optique de consigne transmise par l'intermédiaire de fibres optiques et après passage au travers de l'ouverture du tiroir D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple non limitatif et faîte en regard des figures annexées qui représentent - la figure 1 : un schéma synoptique de principe du dispositif d'asservissement en position, selon l'invention - la figure 2 : un tableau à double entrée montrant des exemples de valeurs possibles pour différents paramètres du dispositif d'asservissement, selon l'invention - la figure 3 : des exemples de lois de variation de la puissance optique de consigne en fonction du déplacement du tiroir mobile lorsque la loi d'évolution du coefficient de transmission est une loi linéaire - les figures 4a et 4b : un premier exemple d'application à l'asservissement en position d'un doseur de débit de carburant ; la figure 4a représentant un asservissement selon l'art antérieur, la figure 4b un asservissement selon l'invention - les figures 5a et 5b : un deuxième exemple d'application à l'asservissement en position d'un vérin de commande de géométrie variable ; la figure 5a représentant un asservissement selon l'art antérieur, la figure 5b un asservissement selon l'invention. La figure 1 représente un schéma synoptique de principe du dispositif d'asservissement en position, selon l'invention. Le dispositif d'asservissement en position comporte un actionneur électro-hydraulique 11 du type servovalve destiné à alimenter un dispositif hydraulique 10, la servovalve étant elle-même alimentée par un signal électrique ISV représentatif de l'erreur de position du dispositif hydraulique 10 par rapport à une valeur de consigne XO . La valeur de consigne XO est délivrée par des moyens d'émission optique 12 localisés à l'extérieur du dispositif d'asservissement, par exemple dans un calculateur électronique 18. Le dispositif hydraulique 10 est associé à un dispositif à tiroir 14 mobile suivant une direction X, de façon que chaque déplacement du dispositif hydraulique se traduise par un déplacement équivalent du tiroir 14. Ce dispositif à tiroir peut être localisé à l'intérieur ou à l'extérieur du dispositif hydraulique 10. Le tiroir est réalisé dans un matériau opaque à la lumière et comporte une ouverture 15 à opacité variable dont le coefficient de transmission t(x) varie suivant une loi préalablement choisie, avec le déplacement x du tiroir 14 ; par exemple, la loi de variation de t(x) peut être une loi linéaire. La puissance optique de consigne XO est transmise à l'actionneur électro-hydraulique 11 par l'intermédiaire de fibres optiques 13, 16 et après passage au travers de l'ouverture 15 du tiroir mobile 14. En sortie du dispositif à tiroir, la puissance optique XOM transmise est égale à la puissance optique XO de consigne pondérée par le coefficient de transmission t(x) caractéristique de la position du tiroir mobile et par conséquent de la position du dispositif hydraulique 10.Cette puissance optique XOM est transmise vers un détecteur photo-électrique 17 qui transforme le signal optique XOM en un signal électrique ISV. Le signal électrique ISV agit sur l'actionneur électro-hydraulique 11 qui traduit la commande électrique en une pression différentielle PM2 - PM1 appliquée au dispositif hydraulique 10 de façon à en modifier la position X dans un sens permettant de réduire l'erreur de position par rapport à la valeur de consigne, le changement de position du dispositif hydraulique se traduisant par un déplacement équivalent du tiroir 14. Lorsque le dispositif hydraulique 10 est dans une position correspondant à la position de consigne, le dispositif d'asservissement est stationnaire et fonctionne dans un régime dit stabilisé. Dans ce cas, l'actionneur électrohydraulique 11 est dans une position d'équilibre à laquelle correspond une intensité d'équilibre ISVmoy du courant de commande, cette intensité d'équilibre correspondant à une valeur prédéterminée de la puissance optique modulée par le coefficient de transmission t(x) caractéristique de la position x du tiroir 14 et présentée en entrée du détecteur photo-électrique 17. Lorsque le dispositif hydraulique 10 s'éloigne de la position de consigne, le dispositif d'asservissement fonctionne dans un régime dit transitoire. Dans ce cas l'erreur de position se répercute sur le tiroir mobile 14 et l'intensité du courant de commande de l'actionneur électro-hydraulique 11 s'éloigne de l'intensité d'équilibre. L'actionneur 11 délivre alors, en sortie, une pression différentielle qui agit sur le dispositif hydraulique 10 pour en corriger la position. La nouvelle position du dispositif hydraulique 10 est répercutée sur le tiroir mobile 14 ce qui modifie la puissance optique XOM présentée en entrée du détecteur photo-électrique 17 et l'intensité du courant de commande ISV de l'actionneur électro-hydraulique 11, la modification étant effectuée dans un sens permettant de réduire l'erreur de position. Pour que l'asservissement en position du dispositif hydraulique 10 puisse être réalisé, il est nécessaire que la plage de variation du coefficient de transmission t(x) de l'ouverture du tiroir mobile soit calculée en fonction de la plage de variation de l'émetteur optique 12 et de la plage d'utilisation de la servovalve 11. Pour chacun des régimes de fonctionnement du dispositif d'asservissement, les conditions limites de fonctionnement correspondent à des positions maximale ou minimale du tiroir mobile, c'est à dire, respectivement, à des coefficients de transmission maximal tmax ou minimal tmin de l'ouverture du tiroir mobile lorsque la puissance optique de consigne est minimale XO min ou maximale XO max.Quand le dispositif d'asservissement fonctionne dans un régime stabilisé, les conditions limites de fonctionnement obéissent aux équations suivantes, en supposant que la valeur de la sensibilité du photodétecteur est égale à l'unité (1) XO min . t max = ISV moy , ce qui correspond à l'opacité minimale du tiroir, (2) XO max . t min = ISV moy , ce qui correspond à l'opacité maximale du tiroir. Quand le dispositif d'asservissement fonctionne dans un régime transitoire mais que la position du dispositif hydraulique 10 n'a pas encore été modifiée, les conditions limites de fonctionnement obéissent aux équations suivantes (3) XO min . t min = ISV min (4) XO max . t max = ISV max En combinant les équations (1) et (3) et les équations (2) et (4), l'équation (5) suivante est obtenue (5) ISV min . ISV max = (ISV moy)2 Différentes solutions sont possibles, mais il n'est pas possible d'obtenir un système symétrique tel que ISV moy = i (ISV min + ISV max), car un tel système conduit à ISV min = ISV max ce qui rend impossible le pilotage de la servovalve. A titre d'exemple, une solution correspondant à l'équation (6) à été recherchée (6) ISV moy = e (ISV min + ISV max) +e. Cette solution (6) combinée à l'équation (5) permet d'établir une équation du second degré en e. Cette équation comporte une racine E négative correspondant à l'équation (7) suivante Une étude paramétrique de cette équation (7) permet d'établir différentes solutions possibles. La figure 2 représente un tableau à double entrée ISV min et E, qui montre les valeurs de ISV max possibles obtenues en effectuant une étude paramétrique de l'équation (7). les valeurs sont exprimées en pourcentage de la plage d'utilisation en courant de la servo-valve. Parmi ces différentes solutions possibles, le point E = - 6 %, ISV min = 27 % et ISV max = 75 % peut être retenu car il correspond à une plage d'utilisation satisfaisante de la servovalve. Dans ces conditions, l'intensité d'équilibre ISV moy du courant correspondant au fonctionnement du dispositif d'asservissement en régime stabilisé est égal à 45 %. En choisissant des puissances optiques de consigne comprises entre des valeurs maximale et minimale respectivement égales à 100 % et 60 % de la plage de variation de l'émetteur optique, les coefficients de transmission maximal et minimal sont respectivement égaux à 75 % et 45 % de la plage de variation du tiroir. A titre d'exemple, la loi de variation du coefficient de transmission de l'ouverture pratiquée dans le tiroir, peut être choisie de façon à être une fonction linéaire du déplacement x du tiroir t(x) = ax + b où a, b sont des coefficients constants. Dans ces conditions, si A est la sensibilité du détecteur photo-électrique, le courant de commande ISV de la servovalve s'exprime en fonction de la puissance optique pondérée XOM par le coefficient de transmission significatif de la position du tiroir de la façon suivante ISV = A . XOM avec XOM = t(x) . XO En combinant les équations ci-dessus, le courant de commande de la servovalve s'exprime en fonction de la puissance optique de consigne XO de la façon suivante ISV = A . t(x) . XO = A . (ax + b) .XO Le fonctionnement du dispositif d'asservissement en régime stabilisé obéit alors à l'équation suivante XO = ISV moy . 1 A ax + b Par conséquent, les variations de la puissance optique de consigne en fonction du déplacement x du tiroir s'effectuent sur une portion d'hyperbole lorsque le dispositif d'asservissement fonctionne dans un régime stabilisé. La figure 3 représente les lois de variation de la puissance optique de consigne en fonction du déplacement x du tiroir, en régime stabilisé et en régime transitoire lorsque la loi d'évolution du coefficient de transmission t(x) est une loi linéaire. En régime stabilisé, le point d'asservissement se déplace sur une portion d'hyperbole lorsque la position du dispositif hydraulique fluctue autour d'une position d'équilibre correspondant à une puissance optique de consigne donnée. Dans l'exemple choisi, l'intensité du courant de commande est égale à 45 mA. En régime transitoire et dans l'exemple choisi, si une puissance optique de consigne passe brutalement de 200 mW à 120 mW, le courant de commande de la servovalve passe brutalement de 75 mA à 27 mA. Le déplacement du tiroir ne s'effectue pas immédiatement et l'asservissement du dispositif hydraulique 10 n'est réalisé qu'après un temps plus ou moins long dépendant de la dynamique du dispositif hydraulique 10. L'exemple décrit ci-dessus est donné à titre indicatif, il est possible de choisir une loi d'évolution du coefficient de transmission t(x) différente ; par exemple si t(x) évolue suivant une loi hyperbolique, les variations de la puissance optique de consigne en régime stabilisé, et en fonction du déplacement x du tiroir, s'effectuent suivant une loi linéaire. De même, les valeurs numériques choisies peuvent être différentes. les figures 4a et 4b représentent un premier exemple d'application de l'invention à l'asservissement en position d'un doseur de débit de carburant. la figure 4a concerne un bloc hydraulique de régulation principale de turbomachine, selon l'art antérieur. Sur cette figure, le doseur de débit de carburant 41 est mis en position par l'action des pressions P1 et P2 délivrées par une servovalve 42 à déviation de jet. La servovalve 42 reçoit les ordres de commande provenant d'un calculateur électronique 43 de type FADEC (en anglais FADEC signifie Full Authority Digital Engine Control). Pour s'assurer que la commande du piston 44 du doseur 41 a bien été réalisée, un capteur de position 45 est lié mécaniquement au piston 44 du doseur. Le capteur de position mesure la position du piston 44 et informe le calculateur électronique 43 de la bonne exécution des ordres de commande et autorise ainsi les corrections en cas de défaut d'exécution.Pour cela, deux connecteurs électriques C1 et C2 de liaison sont nécessaires, le connecteur C1 pour effectuer la liaison entre le calculateur et le capteur de position, le connecteur C2 pour effectuer la liaison entre le calculateur et la servovalve. la figure 4b concerne un bloc hydraulique de régulation principale de turbomachine, selon l'invention. Sur cette figure, les éléments identiques à ceux de la figure 4a sont référencés de la même façon. Le doseur 41 est asservi en position par un dispositif d'asservissement opto-alimenté à fibre optique tel que défini ci-dessus. Le piston 44 du doseur est lié mécaniquement à un dispositif à tiroir mobile 47 réalisé dans un matériau optiquement opaque et comportant une ouverture 48 à opacité variable. La position du piston du doseur est ainsi automatiquement transmise au tiroir mobile. Un calculateur électronique 43 de type FADEC délivre une puissance optique XO de consigne transmise au moyen de fibres optiques FO à un détecteur photo-électrique 46 après avoir traversé le tiroir mobile 47. La puissance optique que reçoit le détecteur photo-électrique 46 est égale à la puissance optique de consigne modulée XOM par la position du tiroir mobile et donc par la position du piston du doseur. Cette puissance optique modulée XOM est utilisée pour commander la servovalve 42 après transformation, par le détecteur photo-électrique 46, en un courant électrique de commande. les figures 5a et 5b représentent un deuxième exemple d'application de l'invention à l'asservissement en position d'un vérin de commande de géométrie variable telle que par exemple un stator de compresseur ou une roue directrice d' entrée. La figure 5a est relative à un dispositif selon l'art antérieur. Ce dispositif comporte une servovalve à deux étages ayant une pression d'alimentation PA et une pression de retour PR et délivrant des pressions U1 et U2 pour commander, suivant la valeur de ces pressions, un piston de vérin d'une géométrie variable. La bonne exécution du déplacement du vérin est contrôlée par deux capteurs linéaires qui transmettent l'information de retour à un calculateur électronique. L'exactitude de la position du vérin est vérifiée par comparaison de la valeur mesurée X capteur avec la valeur de consigne X consigne, puis corrigée au moyen d'un dispositif correcteur 50 si c'est nécessaire, c'est à dire si il y a une erreur entre les deux valeurs par une nouvelle action du calculateur sur la servovalve. La figure 5b est relative à un dispositif similaire à celui de la figure 5a, le dispositif étant opto-alimenté à fibres optiques, selon l'invention. Ce dispositif comporte une servovalve et un vérin de commande d'une géométrie variable similaire à ceux de la figure 5a, mais les deux capteurs linéaires ne sont plus nécessaires, car la commande de la servovalve est effectuée à partir d'une puissance optique de consigne délivrée par un calculateur électronique, transmise par des fibres optiques et modulée par la position d'un tiroir mobile muni d'une ouverture à opacité variable. l'utilisation d'un dispositif d'asservissement opto-alimenté à fibres optiques présente l'avantage d'être complètement autonome, il suffit de l'alimenter par une puissance optique de consigne et la régulation est effectuée automatiquement sans qu'il soit nécessaire de disposer d'un capteur de position du dispositif hydraulique à asservir pour informer le calculateur électronique 43 de la bonne exécution des ordres de commande. Aucun retour vers le calculateur n'étant nécessaire, les connecteurs électriques C1 et C2 indispensables dans les dispositifs antérieurs décrits et représentés notamment sur les figures 4a et 5a, sont inutiles dans les dispositifs représentés sur les figures 4b et 5b. Une seule connexion optique est nécessaire. Ce dispositif permet de réduire la complexité des matériels existants et d'en diminuer les coûts, les masses et les volumes puisque actuellement, les connecteurs ont tendance à imposer le volume de tels matériels. Notamment un seul connecteur donc un seul harnais au lieu de deux est nécessaire, et ce connecteur est optique. Par ailleurs, ce dispositif étant autonome, il permet une amélioration de la maintenance. En cas de fonctionnement défaillant, son remplacement est aisé et ne nécessite pas de réétalonnage de capteur puisqu'il est auto-calibré. Enfin l'utilisation de moyens optiques à la place de moyens électriques permet d'améliorer la résistance du dispositif aux rayonnements électromagnétiques. Notamment il n'est plus nécessaire de protéger les entrées du dispositif contre la foudre. Les exemples d'application de l'invention représentés et décrits dans les figures 4 et 5 ne sont donnés qu'à titre indicatif. Ce dispositif, selon l'invention, peut être appliqué à tous types d'asservissements en position. REVENDICATIONS. 1. Dispositif d'asservissement en position d'un dispositif hydraulique, caractérisé en ce qu'il comporte - un dispositif à tiroir (14) mobile associé au dispositif hydraulique (10) de façon qu'à un déplacement du dispositif hydraulique corresponde un déplacement équivalent du dispositif à tiroir, le dispositif à tiroir (14) étant réalisé dans un matériau opaque à la lumière et comportant une ouverture (15) à opacité variable, ayant un coefficient de transmission variable, suivant une loi préalablement choisie, avec le déplacement du tiroir (14). - des moyens de commande (11) du dispositif hydraulique (10) recevant une puissance optique de consigne transmise par l'intermédiaire de fibres optiques (13, 16) et après passage au travers de l'ouverture (15) du tiroir (14). 2. Dispositif d'asservissement en position selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un détecteur photo-électrique pour transformer la puissance optique en signal électrique, le détecteur photo-électrique étant disposé entre le tiroir (14) et les moyens de commande (11), et en ce que les moyens de commande sont constitués par un actionneur électro hydraulique. 3. Dispositif d'asservissement en position selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'actionneur électrohydraulique (11) comporte une position d'équilibre correspondant à une valeur prédéterminée de la puissance optique de consigne pondérée par la valeur du coefficient de transmission de l'ouverture (15). 4. Dispositif d'asservissement en position selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif à tiroir mobile (14) est lié mécaniquement au dispositif hydraulique (10) 5. Dispositif d'asservissement en position selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la loi de variation du coefficient de transmission de l'ouverture (15) est une fonction linéaire du déplacement du tiroir (14). 6. Dispositif d'asservissement en position selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la loi de variation du coefficient de transmission de l'ouverture (15) est une fonction hyperbolique du déplacement du tiroir (14).