Brevet FR2835067A1 — publié le 20030725

définitivement le nombre inscrit sur l'affichage (7), DISPOSITIF DE COMMANDE A BOUCLE D'ASSERVISSEMENT, NOTAMMENT ACTIONNEUR ELECTRO-HYDRAULIQUE DE COMMANDE DE VOL DOMAINE GENERAL DE L'INVENTION ET ETA T DE LA TECHNIQUE La présente invention est relative à des perfectionnements aux dispositifs d'asservissement. Elle trouve en particulier avantageusement application pour des systèmes d'actionneurs électro-hydrauliques et en particulier pour des systèmes d'actionneurs de ce type utilisés en asservissement en position ou en asservissement d'effort pour les commandes de vol. Classiquement, un dispositif de servocommande de position pour actionneur de commande de vol comporte une boucle d'asservissement qui intègre des moyens de compensation disposés dans la boucle, en amont du système servocommandé, ces moyens de compensation assurant un filtrage notamment aux fréquences de résonance des mouvements de la ou des pièce(s) mécanique(s) actionnée(s) par le système. Les performances demandéss par les constructeurs aéronautiques aux actionneurs de commandes de vol sont de plus en plus sélectives. Elles s'avèrent désormais difficiles à atteindre avec de simples boucles d'asservissement classiques. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose quant à elle un dispositif d'asservissement particulièrement stable, qui présente une bonne robustesse aux variations des paramètres mécaniques, comme la raideur globale ou les paramètres d'inertie.. Le d ispositif proposé par l' invention présente en outre l'avantage de ne pas nécessiter de capteurs supplémentaires et de pouvoir en cas de défaillance fonctionner comme un système classique stable. Plus particulièrement, I'invention propose un dispositif de commande comportant une boucle d'asservissement principale qui comprend un dispositif servo-commandé, ainsi que des moyens de compensation en amont de celui-ci, ledit dispositif comportant une boucle secondaire qui reçoit en entrée un signal dérivé de la boucle d'asservissement et qui génère en fonction d'une part de ce signal et d'autre part d'un signal caractéristique d'un paramètre du dispositif servocommandé, une erreur caractéristique de la différence entre ledit signal caractéristique d'un paramètre du dispositif servocommandé et un signal théorique déterminé au moyen d'une modélisation, ce signal d'erreur étant injecté dans la boucle principale pour corriger la commande du dispositif servocommandé, caractérisé en ce que la boucle secondaire ettou la boucle principale comporte(nt) au moins un amplificateur à gain variable, ledit dispositif comportant des moyens pour commander le gain dudit amplificateur en fonction d'une part dudit signal caractéristique d'un état du dispositif servoocommandé et d'autre part d'un signal dérivé de la boucle principale en amont dudit dispositif. Un tel dispositif est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - I'erreur générée par la boucle secondaire est une erreur caractéristique de la différence entre la sortie du dispositif servocommandé et une sortie théoriquement attendue déterminée au moyen d'une modélisation; - il comporte en sortie de la boucle secondaire des moyens aptes à réaliser un filtrage non linéaire de ladite erreur; - il comporte des moyens d'amplification en sortie des moyens de comparaison de la boucle secondaire, le gain de ces moyens d'amplification correspondant au gain de l'amplificateur de la boucle principale; - ie gain de la boucle principale est fixe, ia boucle secondaire comportant un amplificateur à gain variable; - le gain de l'amplificateur de la boucle principale est fixe, la boucle secondaire comportant un amplificateur à gain variable; - les moyens pour commander le gain d'un amplificateur à gain variable comportent des moyens pour appliquer à un signal dérivé de la boucle principale une modélisation simplifiée du modèle de la boucle secondaire; - la boucle secondaire attaque la boucle principale en entrée du dispositif servocommandé; - la boucle secondaire attaque la boucle principale en amont des moyens de compensation. - la modélisation de la boucle secondaire met en _uvre une avance de phase. L'invention a également pour objet une commande de vol électro hydraulique pour aéronef, caractérisé en ce qu'elle comporte un dispositif du type précité. DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION La description qui suit est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard de la figure unique annexée qui présente le schéma de base d'un dispositif conforme à un mode de réalisation possible de l'invention. Structure nénérale Le dispositif représenté sur la figure 1 comporte une boucle principale 1, une boucle à modèle interne 2, ainsi qu'un estimateur de paramètre 3. La boucle 1 comporte un système servocommandé 4 ( fonction de transfert H(p)), ainsi que des moyens de compensation 5 (filtre C(p)) qui, dans la boucle, sont disposés en amont de ce système servocommandé 4. La boucle 1 comporte en outre des moyens de soustraction 6 qui en entrée de la boucle reçoivent d'une part un signal de commande E(p) et d'autre part un signal Y(p) qui est le signal en sortie de la boucle 1. Le signal en sortie de ces moyens de soustraction 6 est un signal d'erreur Ec(p) correspondant à la différence entre le signal de commande E(p) et le signal Y(p) en sortie de la boucle 1. La boucle comporte en outre un amplificateur 7 (gain Ka) interposé entre les moyens de compensation 5 et les moyens de soustraction 6. La boucle principale 1 Le système servocommandé 4 est par exemple composé: - d'une servovalve recevant en entrce le courant (isv) et fournissant en sortie un débit (q) et - d'une servocomande dont la grandeur d'entrée est le débit q et dont la grandeur de sortie est la position y de la pièce mécanique commandée. La fonction de transfert de la servovalve est par exemple du type: q kv _ = isv 1 p2+2 5sv p+1 osV osV La fonction de transfert linéaire de la servocommande est quant à elle par exemple du type: y 1 1 CVhMp3 + (CvhCvm + MRh)p2 + (RhCvm + CvhRm)p + RmRh _ = _ _ q S p (Cvh + Cvm)Mp3 + (M(Rm + Rh) + Cvhc9m)P + (RhCvm + Rm Cvh)p + Rh Rm o M est la masse vue pat la servocommande et Rm la raideur mécanique globale. Les paramètres (,sv et osv sont quant à eux par exemple des paramètres d'amortissements et de fréquences naturels. De façon générale, on pourra, pour l'ensemble de ce texte, se reporter au tableau qui à la fin de la description donne la désignation de d ifférents paramètres et des exem ples de valeu rs correspond antes Les moyens de compensation 5 sont quant à eux par exemple constitués d'un filtre à trous destiné à compenser les résonances mécaniques. Ce filtre peut être ou non numérisé. A titre d'exemple, il peut correspondre à la fonction de transfert: C() 52 + 16.19s + 6617 Le gain Ka de l'amplificateur 7 est déterminé de façon à assurer une grande stabilité au système. Dans l'exemple qui est illustré sur la figure 1, ce gain est fixe et les performances sont réglées par le modèle de référence 2 et l'estimateur 3. En l'occurrence le gain Ka est par exemple égal à 400. La boucle à modèle interne La boucle à modèle interne 2 reçoit le signal en sortie de l'amplificateur 7 et le transmet à un ensemble qui comporte un amplificateur 8, et un modoie de référence 10 (R(z)). Le modèle de référence 10 reçoit les signaux transmis par un bloqueur 9 (Be-Te), fonctionnant avec une période d'échantillonnage Te (par exemple en l'occurrence de 10 ms). La sortie (Yr(p)) du modèle de référence 10 est transmise à des moyens de soustraction 11 qui reçoivent d'une part cette sortie et d'autre part le signal Y(p) en sortie de la boucle 1. Le signal d'erreur en sortie de ces moyens de soustraction 11 est injecté dans la boucle 1, o il est sommé au signal qui commande le dispositif servocommandé 4 (moyens de sommation 12). Avant d'être injecté dans la boucle 1, le signal d'erreur comportementale peut être le cas échéant être filtré ffiltre 13 qui est par exemple un filtre non linéaire) et amplifié (amplificateur 14, de gain Ka) . La sommation réalisée sur l'entrée de la servocommande permet d'ajuster la commande du procédé en fonction d'une erreur avec le modèle théorique et de modifier cette commande jusqu'à ce que l'erreur entre le modèle et le procédé tende vers zéro, et ce tout en restant subordonnée à la boucle principale. La fonction de transfert R(z) du modèle 10 inclut le modèle de référence et le filtre correcteur, est par exemple donnée par: Yr _ kve 1 2o (2)2 s + 2 s + 1 Ce modèle est un deuxième ordre propre avec un amortissement élevé (. La fréquence de coupure du dénominateur est f1. Le numérateur comporte une avance de phase à fréquence fO. Cette avance de phase n'est pas obligatoire mais améliore la réponse du système en ralentissant la chute de la phase à haute fréquence. Estimateur de paramètres. 1 0 Principe Dans l'exemple illustré sur la figure 1, la différence calculée entre yr et y est amplifiée avec le même gain que celui de la boucle principale. En effet, I'erreur obtenue est au pire du même ordre de grandeur que celui de l'erreur de la boucle principale. Dans la mesure o le modèle et surtout le gain de la boucle sont connus avec une grande précision, la correction par modèle interne est très efficace. Cependant le gain de la boucle principale varie avec la charge (variation du gain kv de la servovalve) et l'on peut considérer que cette variation est nuisible aux performances. L'utilisation d'un gain adapté permet de compenser les variations de charge et ainsi de ne pas sacrifier les performances du système à gain minimal pour privilégier la stabilité du système à gain maximal. C'est le rôle de l'estimateur de paramètres décrit ci-après, qui constitue prioritairement un estimateur de gain. Cet estimateur est par exemple construit à partir d'une numérisation simplifiée de la fonction de transfert (par exemple, deuxième ordre sur deuxième ordre, période d'échantillonnage 10ms). Il estime la sortie du procédé y, puis calcule l'erreur relative entre la sortie du procédé et la sortie estimée afin d'en déduire une estimation du gain de boucle. L'algorithme d'estimation réajuste le gain de la boucle de référence en fonction de cette nouvelle estimation (cck). On peut aussi minimiser un critère quadratique optimal. Exemple de structure de l'estimateur de gain L'estimateur de gain reçoit en entrée le signal corrigé en entrce de la servovalve (ic). Ce signal est envoyé sur un filtre 15, qui est par exemple un filtre du premier ordre à 10Hz environ, amplifié au niveau d'un amplificateur 16 à gain commandable analogue à l'amplificateur 8 (gain Kve/s), puis numérisé par un bloqueur 17 de période Te (10ms)). En sortie de ce bloqueur 16, le signal est envoyé sur une fonction de transfert qui reprend de façon simplifiée la fonction de transfert R(z) du 1 5 modèle. Par exemple, dans le cas de la fonction de transfert donnce ci dessus, la fonction de transfert simplifiée He(z) est de la forme: F( p) = c = S P LI., Rmg 2B Elle est discrétisée par l'algorithme de Tustin à 1 Oms. Un signal y numérisé est obtenu en sous-échantillonnant la sortie de cette fonction avec une période nTe*Te plus grande que Te (bloqueur 1 9a). Ce signal échantillonné en sortie du bloqueur 19a est envoyé, avec le signal en sortie de la boucle 1, également échantillonné avec la même fréquence d'échantillonnage (bloqueur 19b) sur un dispositif 20 qui calcule le gain Kve/s que doivent présenter les amplificateurs 8 et 16. Ces amplificateurs 8 et 16 sont commandés par le signal en sortie de ce dispositif 20. Convernence du pain On note que: y =kv*ic l A donc que l'erreur relative de position peut s'écrire: = Y Y mais aussi que: kv 1+ = A kv Le rapport entre gain réel et gain estimé est majoré par 2 (rapport entre le gain minimum et le gain maximum). Donc on peut écrire: rk=l+l, yl l'estimateur et la boucle du modèle de référence. La multiplication de kve par ak va faire en sorte que ak converge vers une limite calculée ci-après. 1 5 {Xk = 1 + Y A Y Puisque kVe ak2 =(1+ú)2 D'après (12), (15) et (19): kva va 1 + ú v Cette dernière équation montre que l'algorithme converge vers une valeur qui reste toujours inférieure au gain de la boucle principale. Cette condition permet une stabilité globale plus grande car elle diminue les performances de la correction par adaptation et interdit l'inversion de procédé. Le gain estimé est en effet toujours volontairement inférieur au gain de la boucle principale. La boucle du modèle interne aura donc une action limitée, adoucie, et ne pourra jamais atteindre les caractéristiques de la boucle principale. Remarques nénérales On notera que la boucle 2 du modèle de référence est préférentiellement de type boucle ouverte et non pas de la boucle fermée. En effet, en venant corriger le gain du modèle de référence sans rien modifier de la boucle principale les pôles des boucles fermées (principale et modèle interne) vont se suivre en même temps que les gains de leur chaîne directe. Alors qu'un modèle en boucle fermée a une dynamique figée et peut ainsi s'éloigner beaucoup de la boucle principale. La simulation montre que la version contenant un modèle en boucle fermée est moins robuste aux perturbations. Par ailleurs, on notera que le système a l'avantage d'être susceptible de fonctionner, même si la boucle 2 est déconnectée. Dans ce cas, la ré injection du signal d'erreur filtré est forcée à zéro. La boucle principale 1 continue à agir, suivant le modèle classique. Par ailleurs, d'autres modes de réalisation de l'invention que celui qui a été spécifiquement décrit sont bien entendu envisageables. Il est bien entendu possible d'attaquer la boucle 1 par la sortie de la boucle 2 de modèle en d'autres points qu'en entrée du système servocommandé; en particulier, les moyens de sommation 15 peuvent être disposés en entrée de l'amplificateur 7 par exemple, ou entre l'amplificateur 7 et les moyens de compensation 5. Désignation des paramètres | Symbole | Valeur | Unité l l l Servovalve électro-hYdraulique Courant de contrôle maximum imax mA Amortissement (sv 0.9 Fréquence naturelle coosv 314 Radis Gain de stabilité kvs, 1.34 10-4 m31slmA Gain de performance kvp 0.70 10-4 Débit nominal Qn 64 I/mm Débit au point de performance Qf 33.4 limm Charge mécanique Raideur d'attachement entre le corps et la structure fixe Ra 1. 82 108 Nlm Raideur d'attachement entre la surface et la tige du piston Rt 1.00 108 Nlm Raideur de charge globale Rm 6.45 107 Nlm Coefficient d'amortissement mécanique de charge Cvm 6.62 104 Nlmls Masse de surface 6803 kg Raideur globale Rg 4.5 10' Nlm Fréquence naturelle mécanique Om 81.3 Radis Ratio d'amortissement mécanique % Vérin hydraulique Coefficient d'amortissement hydraulique C 5 105 Pa.s Module global B 8 108 Pa Surface de chambre S 6.119 10-3 m2 Volume de la chambre en position centrale V 4.08 10-4 m3 Raideur hydraulique Rh 1.49 108 Nlm Coefficient d'amortissement hydraulique Cvh 9.29 104 Nlm/s Course d'extension nominale Yext 0.066 m Course de rétractation nominale Yret 0. 045 m Friction de soudure Fsec 5000 N Ordinateur Période d'échantillonnage Te 102 s Nombre de périodes d'échantillonnage nTe Gain de contrôle Ka 920 mA/m Gain du modèle initial de référence Kve kvp mAlm Position estimée m REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande comportant une boucle d'asservissement principale qui comprend un dispositif servocommandé, ainsi que des moyens de compensation en amont de celui-ci, ledit dispositif comportant une boucle secondaire qui reçoit en entrse un signal dérivé de la boucle d'asservissement et qui génère en fonction d'une part de ce signal et d'autre part d'un signal caractéristique d'un paramètre du dispositif servocommandé, une erreur caractéristique de la d ifférence entre led it signal caractéristique d'un paramètre du dispositif servocommandé et un signal théorique déterminé au moyen d'une modélisation, ce signal d'erreur étant injecté dans la boucle principale pour corriger la commande du dispositif servocommandé, caractérisé en ce que la boucle secondaire eVou ia boucle principale comporte(nt) au moins un amplificateur à gain variable, ladit dispositif comportant des moyens pour commander le gain dudit amplificateur en fonction d'une part dudit signal caractéristique d'un état du dispositif servocommandé et d'autre part d'un signal dérivé de la boucle principale en amont dudit dispositif. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'erreur générée par la boucle secondaire est une erreur caractéristique de la différence entre la sortie du dispositif servocommandé et une sortie théoriquement attendue déterminée au moyen d'une modélisation. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en sortie de la boucle secondaire des moyens aptes à réaliser un filtrage non linéaire de ladite erreur. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé , en ce qu'il comporte des moyens d'amplification en sortie des moyens de comparaison de la boucle secondaire, le gain de ces moyens d'amplification correspondant au gain de l'amplificateur de la boucle principale. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gain de la boucle principale est fixe, la boucle secondaire comportant un amplificateur à gain variable. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gain de l'amplificateur de la boucle principale est fixe, la boucle secondaire comportant un amplificateur à gain variable. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens pour commander le gain d'un amplificateur à gain variable comportent des moyens pour appliquer à un signal dérivé de la boucle principale une modélisation simplifiée du modèle de la boucle secondaire. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boucle secondaire attaque la boucle principale en entrée du dispositif servocommandé. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boucle secondaire attaque la boucle principale en amont des moyens de compensation. 10. Commande de vol électro-hydraulique pour aéronef, caractérisé en ce qu'elle comporte un dispositif selon l'une des revendications