Brevet FR2698187A1 — publié le 19940520

DISPOSITION D'ASSERVISSEMENT EN POSITION D'UNE CHARGE PREWE FLOTTANTE La présente invention se rapporte à un dispositif d'asservissement en position d'une charge montée flottante dans une enceinte ou sur un support, telle que par exemple une plateforme de support de charge utile pour satellite scientifique. Dans un satellite faisant par exemple partie d'un programme spatial scientifique, il est souhaitable qu'une "charge utile", constituée par exemple par des appareils de mesure ou par des essais expérimentaux, soit au maximum isolée des vibrations en vol du satellite. Cette charge utile étant elle-même montée sur un organe de support, communément dénomme "plateforme", la meilleure solution pour s ' affranchir de ces vibrations consiste alors à prévoir, en apesanteur, cette plateforme "flottante" dans une enveloppe. Les commandes sont alors transmises de l'enveloppe à la charge utile par transmission à rayons infra-rouge, et la puissance électrique est fournie à cette charge utile par l'intermédiaire d'au moins un transformateur d'énergie à secondaire flottant, dit "transformateur flottant". L 'énergie thermique qui résulte soit de la transformation de l'énergie électrique, soit d'une autre transformation (par exemple chimique), est évacuée à l'aide d ' un ensemble d'ailettes radiatrices. La position de la plateforme flottante dans son enveloppe est sans cesse rectifiée au moyen d' actionneurs agissant sans contact, constitués en pratique par des actuateurs éléctromagnétiques. Le découplage ainsi réalisé est appellé "découplage actif". Ce genre de découplage actif peut aussi être envisagé sur terre, la charge utile étant alors par exemple placée sur son support par l'intermédiaire d'un coussin d'air. Ces actuateurs électromagnétiques sont prévus pour maintenir la plateforme bien centrée malgré les vibrations ou changements de position de 1 'enceinte ou autre support. I1 faut donc intégrer ces actuateurs à une boucle de régulation. Une boucle de régulation, en soi très classique, qui pourrait à priori convenir pour ce genre d'asservissement en position est représentée schématiquement et en traits pleins sur la figure 1 jointe. Sur ce schéma synoptique, la référence 1 désigne la charge flottante de masse M, par exemple la plateforme de support d'une charge utile de satellite scientifique. Cette plateforme 3. est commandée en position dans son enveloppe par des actuateurs électromagnétiques désignés dans leur ensemble par la référence 2. Du fonctionnement de ces actuateurs 2 résulte l'application à la masse M de la plateforme i d'une accélération linéaire & et oo d ' une accélération angulaire # comme mentionné au point de sortie 3 du schéma synoptique. Ces deux accélérations, linéaire et angulaire, sont appliquées à un double intégrateur 4 qui fournit en conséquence sur sa sortie 5 les coordonnées ainsi calculées de la plateforme 1, c ' est-à-dire les coordonnées linéaires x et les coordonnées angulaires e. Ces données sont alors appliquées, en entrée de la boucle de régulation, à un soustracteur 6 où elles y sont soustraites des coordonnées respectives, linéaires xe et angulaires ies de 1' enveloppe qui entoure la plateforme 1. Cette enveloppe est soumise à des perturbations en translation et rotation, dont justement la boucle de régulation a pour objet de s ' affranchir . Les valeurs (xe-x) et (8en8) obtenues en sortie 7 du soustracteur 6 sont les coordonnées relatives de la plateforme i par rapport à son enveloppe qui sont fournies par la boucle de régulation, compte tenu de l'entrée perturbatrice (xe, eue). Ces coordonnées relatives sont comparées, dans un comparateur 8, aux coordonnées relatives réelles (xr, er ) de la plateforme, qui sont mesurees directement sur celle-ci à l'aide des capteurs. Le résultat de cette comparaison, obtenu en sortie 9 du comparateur 8 est représentatif de la correction qu'il convient d'appliquer à la plateforme. I1 convient en fait de corriger ce résultat pour éviter les suroscillations, aussi ce dernier n' est appliqué aux actuateurs 2 qu' après passage par un circuit de correction classique 10 de type "P . I . D . " ("Proportionnal Integrator-Derivator"). Deux phénomènes viennent cependant troubler le fonctionnement, théoriquement parfait, de la boucle de régulation de la figure 1. Ces deux phénomènes, et leurs effets, sont schématisés en traits mixtes sur cette figure 1. Un premier phénomène, qui s'applique entre la sortie 7 du soustracteur 6 et la sortie de l'actuateur 2, dessinée alors sous forme d 'un sommateur 11, est la raideur électromagnétique 12 du transformateur flottant qui est utilisé pour transmettre l'énergie électrique à la plateforme 1. Cette raideur électromagnétique est due à la force électromagnétique de rappel du secondaire flottant de ce transformateur.Le dispositif d'asservissement en position qui fait 1 objet de la présente invention est en conséquence supposé soit utiliser un transformateur flottant de très faible raideur intrinsèque, de l'ordre d'une fraction de Newton/mètre pour fixer les idées, soit utiliser des moyens pour minimiser au maximum cette raideur, ces moyens pouvant avantageusement être des moyens visant à obtenir, dans 1' enroulement flottant de ce transformateur, la puissance électrique P sous la forme d'une tension V élevée et donc d ' un courant I faible : il peut être utilisé pour ceci un transformateur élévateur de tension en amont du transformateur flottant et un transformateur abaisseur de tension en aval de celui-ci. Un second phénomène, qui est plus particulièrement concerné par la présente invention et qui s 'applique également entre les points 7 et 11 précités, est le couplage mécanique 13 par 1 intervalle d 'air compris entre la plateforme 1 et son enveloppe. Les vibrations et autres déplacements parasites de l'enveloppe sont en effet transmises à cet espace d'air, et ce dernier les transmet à la plateforme. Comme cette plateforme est nécessairement munie d' ailettes de refroidissement pour l ' évacuation des calories, ces ailettes ont malheureusement pour effet de favoriser ce couplage 13. A noter que ce phénomène de couplage existe de toute façon par le fait des surfaces en regard: les ailettes ne font qu'augmenter ces surfaces en vis-à-vis. L ' invention vise à remédier à cet inconvénient. Elle se rapporte à cet effet à un dispositif d'asservissement en position d'une charge prévue flottante dans une enceinte ou sur un support, ce dispositif comprenant des actuateurs de commande en position de cette charge qui sont inclus dans une boucle de régulation comportant un comparateur des coordonnées mesurées (xr, & ) de la plateforme avec celles (xe -x, ee-e) extraites de la boucle, le résultat de cette comparaison étant appliqué aux actuateurs à travers un circuit de correction de suroscillations, tel qu un classique circuit "P.I.D.", et la puissance électrique étant appliquée à la charge à 1' aide d ' un transformateur flottant de faible raideur, ce dispositif d'asservissement comportant en outre, en parallèle sur ledit circuit de correction, un autre correcteur dont la fonction de transfert est une fonction robuste C de correction de 1' effet de 1' air de la forme où p est la variable de Laplace, Z une constante de temps, K un coefficient de gain, et où A et B sont des paramètres qui dépendent de la géométrie de la charge et de son enveloppe ou support et qui, sous la forme (Ap + Bp2) sont représentatifs du couplage par l'air entre cette charge et son enveloppe ou support, ces deux paramètres, et donc ladite géométrie de la charge et de son enveloppe ou support, étant ajustés par modélisation pour obtenir la robustesse nécessaire de cette fonction de correction C(p), cette robustesse nécessaire étant de l'ordre de une à plusieurs dizaines de pour-cent. De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractérisques ressortiront, lors de la description suivante d'un exemple non-limitatif de réalisation, en référence au dessin schématique annexé dans lequel - Figure 1, déjà décrite précédemment, est un schéma synoptique de cette boucle d'asservissement avant correction de l'effet de couplage par l'air ; et - Figure 2 est un schéma synoptique de la boucle d'asservissement conforme à 1 'invention. La boucle d ' asservissement selon Figure 2 diffère de celle selon Figure 1, précédemment décrite, en ce que d'une part, le système étant sensé utiliser un transformateur flottant de faible raideur, par exemple de raideur inférieure ou égale à 0,2 N/m, l'effet parasite 12 dû à la raideur du transformateur flottant n'est plus représenté, et en ce que d'autre part, conformément à la présente invention, il est prévu, en parallèle sur le correcteur 10 et donc entre le point de sortie 9 du comparateur 8 et 1' entrée de commande des actuateurs 2, un correcteur supplémentaire 14 destiné à la correction de l'effet de couplage par l'air précité 13. Un additionneur 15 est en conséquence prévu à l'entrée de commande des actuateurs 2 pour combiner ces deux corrections 10 et 14. Conformément à 1 'invention, la fonction de correction du correcteur 14, c'est-à-dire sa fonction de transfert C, est de la forme ou p est la variable de Laplace, K est un coefficient de gain ajusté expérimentalement sur une maquette, t est une constante de temps autorisant le fonctionnement dans une gamme de fréquences correspondant aux vibrations perturbatrices à corriger, et où A et B sont deux paramètres qui dépendent de la géométrie du système, c ' est-à-dire de la charge utile et de son enveloppe ou support, et dont il sera question maintenant. Comme le phénomène de couplage par l'air 13 n'est pas un phénomène mesurable, il est nécessaire que cette fonction de correction C(p) soit une fonction robuste, c'est-à-dire une fonction qui réalise la correction souhaitée malgré une marge d' erreur pouvant même aller jusqu'à 30 9ó à 50 96. La Demanderesse a pu établir que 1' effet de couplage par l'air 13 était représenté par une fonction de la forme (Ap + Bp2), A et B étant ces mêmes paramètres. Elle a pu établir en outre que la robustesse de la fonction de correction C(p) précitée dépendait fortement de la valeur de ces deux paramètres A et B. En conséquence, ces paramètres A et B sont déterminés, par modélisation et modifications successives de la géométrie du système, pour obtenir une fonction de correction C (p) dont la robustesse est suffisante, de l'ordre de plusieurs dizaines de pour-cent par exemple. La Demanderesse a pu ainsi obtenir, en associant un transformateur flottant de raideur inférieure ou égale à 0,2 N/m et un correcteur 14 dont les paramètres A et B précités ont été ajustés par modélisation, une microgravité de l'ordre de 10 5 fois 1 'accélération g de la pesanteur, malgré une incertitude de 209s à 30% sur les coefficients du correcteur 14. Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Peu importe en particulier la façon dont on obtient un transformateur flottant de faible raideur électromagnétique. REVENDICATIONS 1 . Dispositif d'asservissement en position d'une charge (1), prévue flottante dans une enceinte ou sur un support, ce dispositif comprenant des actuateurs (2) de commande en position de cette charge (1) qui sont inclus dans une boucle de régulation comportant un comparateur (8) des coordonnées mesurées (xr, Or) de la plateforme avec celles (xe-x, O -0) extraites de la boucle, le résultat de cette comparaison étant appliqué aux actuateurs (2) à travers un circuit (10) de correction de suroscillations, tel qu'un classique circuit "P.I.D.", et la puissance électrique étant appliquée à la charge à l'aide d'un transformateur flottant de faible raideur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, en parallèle sur ledit circuit de correction (10), un autre correcteur (14) dont la fonction de transfert est une fonction robuste C de correction de 1' effet de 1' air de la forme où p est la variable de Laplace, Z une constante de temps, K un coefficient de gain, et où A et B sont des paramètres qui dépendent de la géométrie de la charge (1) et de son enveloppe ou support et qui, sous la forme (Ap + Bp) sont représentatifs du couplage par l'air (13) entre cette charge (1) et son enveloppe ou support, ces deux paramètres (A,B), et donc ladite géométrie de la charge (1) et de son enveloppe ou support, étant ajustés par modélisation pour obtenir la robustesse nécessaire de cette fonction de correction C(p), cette robustesse nécessaire étant de l'ordre de une à plusieurs dizaines de pour-cent. 2 . Dispositif d'asservissement en position selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la raideur dudit transformateur flottant étant de l'ordre d'une fraction de Newton par mètre, lesdits paramètres A et B sont déterminés pour obtenir une correction de l'effet de couplage par l'air (13) malgré une incertitude de 20 à 30 % sur les coefficients dudit correcteur (14).