Brevet FR3036199A1 — publié le 20161118

PROCEDE DE CONTROLE ADAPTATIF D'UN ENSEMBLE DE COMMANDE La présente invention se rapporte au domaine de la régulation des actionneurs. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de contrôle adaptatif d'un ensemble de commande comprenant un actionneur électrique associés à des moyens de commande de cet actionneur. Dans le domaine automobile, les chaînes de traction sont munies de nombreux actionneurs électriques contrôlés en position permettant de régler les compromis entre la performance en couple, les émissions de polluants et l'agrément de conduite. Le contrôle en position de ces actionneurs électriques est réalisé le plus souvent par une loi de commande à paramètres fixes. De fait, cette loi de commande fixe impose de prendre en compte les dispersions de fabrication de l'actionneur et son vieillissement lors de la calibration du régulateur, ce qui demande un temps de calibration important et avec des validations non exhaustives. De plus, une telle loi de commande n'exploite pas pleinement le potentiel de la commande de l'actionneur pour obtenir les performances optimales lors de petites variations de consigne. Elle ne permet pas non plus de s'adapter à un actionneur plus rapide ou plus lent. Le réglage des paramètres de la loi de commande embarquée représente une charge d'activités qui, même optimisée, reste encore importante pour valider la fiabilité aux dispersions et qui induit donc un coût important dans le développement industriel de la chaîne de traction. Enfin, en cas de défaut du capteur de position, l'actionneur ne peut être que remis à sa position de repos mais ne peut pas être repositionné à proximité d'une position arbitrairement choisie de façon stable et avec une dynamique suffisamment rapide. Un but de l'invention est de s'affranchir de ces inconvénients et de proposer un procédé de contrôle qui permet de réduire le temps de calibration des paramètres de la loi de commande et de mieux prendre en compte prendre en compte les effet de la dispersions de fabrication de l'actionneur et de son vieillissement. 3036199 2 Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un procédé de contrôle en position adaptatif d'un ensemble de commande destiné à être utilisé dans un système technique, tel qu'un moteur à combustion interne, cet ensemble comprenant : -un actionneur électrique comportant un élément mobile dont la position est à 5 commander, -un capteur de position de l'élément mobile apte à fournir un signal de mesure de la position de l'élément mobile, - une unité de commande de l'actionneur comprenant un régulateur dit optimal destiné à être appliqué lors du fonctionnement courant du système, 10 procédé dans lequel, ce régulateur élabore un signal de commande de l'actionneur en fonction d'un signal de consigne et du signal de mesure de la position de l'élément mobile, procédé caractérisé en ce qu'il comprend une phase préalable à la commande de l'actionneur par ce régulateur optimal comprenant : a- Une étape d'excitation de l'actionneur par un second régulateur, de sorte à faire osciller 15 en position l'élément mobile sur une consigne de position constante, b- Une étape d'acquisition des valeurs de commandes et de position de l'actionneur (6) pendant cette étape d'excitation, c- Une étape d'identification dans laquelle on calcule les valeurs des paramètres d'un modèle de l'actionneur à partir des valeurs de commandes et de position acquises, 20 d- Une étape de calcul du régulateur optimal à appliquer à partir des valeurs obtenues des paramètres du modèle de l'actionneur. Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons : - le second régulateur est un régulateur proportionnel. - l'étape d'identification des valeurs des paramètres du modèle de l'actionneur s'effectue par méthode des moindres carrés récursifs. - le calcul du régulateur optimal s'effectue de manière récursive par la méthode des placements de pôles associé à un algorithme de Gauss. - l'ensemble comprenant un régulateur à avance de phase, si en cours de fonctionnement 35 le régulateur optimal n'est plus jugé adapté à la commande de l'actionneur en raison de l'apparition d'une perturbation attendue, on calcule les valeurs des paramètres d'un second modèle de l'actionneur avec une telle perturbation, on calcule une avance de 25 30 3036199 3 phase à partir de ces valeurs de paramètres calculés et on applique au régulateur, le régulateur à avance de phase à l'avance de phase déterminée. - l'avance de phase du régulateur à avance de phase est réinitialisée lors de la phase 5 préalable. - si un dysfonctionnement du capteur de position est détecté, on remplace dans le régulateur optimal le signal de mesure de la position de l'élément mobile par une position estimée par le modèle de l'actionneur identifié au cours de la phase préalable pour 10 élaborer un signal de commande de l'actionneur. - si un dysfonctionnement du capteur de position est détecté, on ajoute au signal de commande élaboré par le régulateur optimal une pré-commande déterminée en faisant la différence entre la valeur de la commande élaborée par le régulateur optimal à partir de la 15 position estimée et la valeur de commande obtenue avec le régulateur) à partir de la mesure de position pendant le fonctionnement sans dysfonctionnement du capteur de position. L'invention a aussi pour objet une unité de commande électronique, caractérisée en ce 20 qu'elle comprend les moyens d'acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des variantes précédemment décrites. L'invention a aussi pour objet un ensemble de commande caractérisé en ce qu'il 25 comprend un actionneur électrique comportant un élément mobile dont la position est à commander, un capteur de position de l'élément mobile apte à fournir un signal de mesure de la position de l'élément mobile, une unité de commande de l'invention pour la commande de l'actionneur. 30 L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend un tel ensemble de commande. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après 35 d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : 3036199 4 - La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne comprenant une ligne de recirculation des gaz brûlés dont le débit est contrôlé par une vanne, elle-même pilotée par un dispositif de contrôle en position adaptatif de l'invention. - La figure 2 est une représentation schématique d'un mode de réalisation des moyens de 5 commande permettant un contrôle en position adaptatif selon l'invention. - La figure 3 présente l'application d'une loi de commande proportionnelle visant à exciter l'actionneur de sorte à en faire osciller la position et en identifier les dynamiques. - La figure 4 est un graphique présentant le comportement de la position de l'actionneur pour différents échelons de consigne de position pour une constante de couple fixée du 10 moteur électrique de l'actionneur. - La figure 5 est un graphique présentant le comportement de la position de l'actionneur pour différents échelons de consigne de position pour un paramètre « constante de couple » du moteur électrique de l'actionneur divisé par deux relativement au cas présenté en figure 4. 15 - La figure 6 est un graphique présentant l'effet d'une désadaptation du régulateur optimal sur la position de l'actionneur en réponse à une consigne de position. - La figure 7 est un graphique présentant plus précisément l'oscillation de la position de l'actionneur en réponse à un grand échelon de consigne de la figure 6. - La figure 8 est un graphique présentant une réponse oscillante de l'actionneur et le 20 modèle obtenu par le procédé de l'invention. - La figure 9 est un graphique présentant l'effet d'une application d'avance de phase sur la position de l'actionneur en réponse à une consigne de position en cas de désadaptation du régulateur optimal. - La figure 10 est un graphique présentant l'effet d'un défaut de capteur sur la position de 25 l'actionneur en réponse à un échelon de consigne. - La figure 11 est un graphique présentant l'effet du remplacement de la position mesurée par la position estimée par le modèle de l'actionneur identifié initialement, en cas de défaut de capteur. 30 Sur la figure 1 est représenté un moteur 1 à combustion interne par exemple un moteur à allumage par compression, tel qu'un moteur Diesel. Un tel moteur peut équiper un véhicule automobile. Le moteur comprend au moins une chambre 2 de combustion. Ici quatre chambres de combustion sont représentées, cependant le moteur peut 35 comprendre un nombre différent de chambre de combustion. 3036199 5 Le moteur 1 comporte encore une ligne 3 d'admission d'air ainsi qu'une ligne 4 d'échappement des gaz produits dans les chambres 2 de combustion. Le moteur 1 comporte encore une ligne 5 s'étendant de la ligne 4 d'échappement à la 5 ligne 3 d'admission pour la réintroduction des gaz d'échappement à l'admission. Le débit de gaz d'échappement réintroduit à l'admission est contrôlé par un actionneur 6 électrique, ici une vanne électrique de dosage de la quantité des gaz réintroduit. L'actionneur 6 comprend un élément mobile dont la position est à commander, ici un moyen 7 d'obturation, par exemple une soupape ou un pointeau, de la ligne 5 de 10 réintroduction des gaz d'échappement dont la position permet de contrôler le débit souhaité de gaz d'échappement à réintroduire. L'actionneur 6 comprend encore un capteur 8 de position du moyen 7 d'obturation apte à fournir un signal de mesure de position cet élément mobile ainsi que des moyens 9 d'actionnement du moyen 7 d'obturation, par exemple un moteur électrique. 15 Le moteur 1 comprend encore une unité 10 de commande électronique de l'actionneur 6 comprenant les moyens d'acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en oeuvre du procédé l'invention détaillée plus loin. En particulier, l'unité de commande électronique 10, 20 fournit un signal de commande de l'actionneur 6, par l'intermédiaire d'une ligne 11 de commande et reçoit un signal de mesure de position du capteur 8 par l'intermédiaire d'une ligne 12 de mesure. Le signal de commande de l'actionneur 6, peut être une consigne de position, elle-même déterminée par la régulation du débit d'air. 25 La figure 2 présente plus en détail un exemple préféré de réalisation de l'unité 10 de commande électronique permettant l'adaptation des paramètres de la loi de commande de l'actionneur 6. Sur la figure 2 une flèche pleine entrant dans un bloc traduit une information reçue, une flèche pleine sortant d'un bloc une information émise par le bloc, une flèche en tiret l'indication d'une mise en application dans le bloc pointé par ladite 30 flèche. Sur cette figure 2, on retrouve l'actionneur 6 recevant son signal u(k) de commande et fournissant son signal de position y(k) délivré par le capteur 8 de position de l'actionneur 6. 35 L'unité 10 de commande électronique de commande de l'actionneur 6 comprenant un régulateur 13, dit optimal, destiné à être appliqué lors du fonctionnement courant du 3036199 6 système, ici le moteur 1 à combustion interne. Au cours de ce fonctionnement courant du moteur, ce régulateur 13 élabore un signal, u(k) de commande de l'actionneur 6 en fonction d'un signal de consigne yc(k) et du signal y(k) de mesure de la position de l'élément 7 mobile. 5 Conformément à l'invention, le procédé de contrôle comprend une phase initiale préalable à la commande de l'actionneur 6 par ce régulateur 13 comprenant les étapes au cours desquelles : 10 -On excite l'actionneur 6 en appliquant un second régulateur 12, -On acquiert les valeurs de commande u(k) et de position y(k) pendant la phase d'excitation de l'actionneur 6, -On identifie les valeurs des paramètres du modèle de l'actionneur 6 à partir des valeurs de commande u(k) et de position y(k) acquises, 15 -Une étape de calcul du régulateur 13 optimal à appliquer à partir des valeurs obtenues des paramètres du modèle de l'actionneur 6. L'activation de cette phase préalable est choisie dans une situation de vie prédéterminée où l'actionneur 6 peut être excité sans impacter le comportement du moteur 1. Les 20 situations de vie possibles pour activer cette étape d'application sont à titre d'exemples non exhaustif : une phase d'apprentissage en usine terminale de fabrication du véhicule comprenant ce moteur ou encore en après-vente, lors d'une phase de réveil de l'unité de commande électronique 10, quand le moteur 1 n'est pas encore démarré. 25 Le second régulateur 12 est alors de préférence proportionnel de la forme : u(k) = K_prop * (yc(k) - y(k)) Avec yc(k) une consigne de position, K_prop un gain. Comme le montre la figure 3, la consigne yc(k) est de préférence un échelon (courbe 30) de 0 à une position moyenne 30 autour de laquelle le comportement de l'actionneur est suffisamment linéaire (35 à 50% typiquement) et le gain Kprop est choisi suffisamment grand pour exciter l'actionneur 6 c'est-à-dire pour le faire osciller en position (courbe 31) sur une consigne de position constante avec des oscillations peu amorties et une commande u(k) potentiellement saturée, sans toutefois atteindre les valeurs minimum et maximum de la position de 35 l'actionneur 6 durant les oscillations, afin de respecter les limites mécaniques de l'actionneur. 3036199 7 A partir des données de commande u(k) et de position y(k) acquises pendant cette période où l'actionneur 6 a été excité, on identifie les paramètres du modèle de l'actionneur 6. Le modèle de l'actionneur 6 est de la forme suivante : Bz y(k) = -A((z)) * u(k) 5 Avec A(z), B(z) représentent respectivement le dénominateur polynomial en z (opérateur discret), stable et unitaire, et le numérateur polynomial en z de la fonction de transfert de l'actionneur, dont les paramètres sont à identifier. Le modèle s'écrit encore : y(k) = (1 - A(z)) * y(k) + B(z) * u(k) 10 L'identification de A(z) et de B(z) peut être réalisée par une méthode de moindres carrés récursifs, une méthode par exemple expliquée dans la publication, Statistical Digital Signal Processing and Modeling, New York, Wiley, 1996 (ISBN 978-0-471-59431-4, LCCN 96010241), chap. 9.4 (« Recursive Least Squares »), p. 541, Monson H. Hayes] , à partir des données acquises u(k) et y(k) pendant la phase d'excitation par le régulateur 12 15 proportionnel. Cette méthode a l'avantage d'être simple et de permettre un calcul en temps réel sur un nombre de pas de temps fini. Sur la figure 2, cette étape d'identification du modèle de l'actionneur 6 au cours de cette phase initiale est matérialisée par le bloc de calcul 14. Le modèle identifié est ensuite mis 20 en application dans le bloc 15. Une fois le modèle de l'actionneur 6 déterminé, on détermine le régulateur dit optimal, matérialisé en figure 2 par le bloc 13, qui sera appliqué en fonctionnement courant. 25 Le calcul de ce régulateur optimal 13 est obtenu ici par la méthode de placement de pôles. Le calcul de ce régulateur optimal est matérialisé sur la figure 2 par le bloc de calcul 16. Le modèle linéaire de loi de commande est de la forme : z Naz u(k) = S(z) *R((z ) - 1)* Da((z)) * (yc(k) - y(k)) 30 Dans lequel : 3036199 8 e(z) est la fonction de transfert du régulateur 13 optimal calculé par placement de S(z)*(z-1) pôles, encore désigné par régulateur R/S. Na(z) est un régulateur à avance de phase. L'application de ce régulateur à avance de Da(z) 5 phase est matérialisé sur la figure 2 par le bloc 17. Le régulateur à avance de phase a pour fonction de transfert d'ordre 1 : Na(z) (1 - avez-1) (1 - av2) = * Da(z) (1 - avez-1) (1 - av1) Dans lequel ay, et av2 sont respectivement le zéro et le pôle à temps discret du 10 régulateur. Si nécessaire, le régulateur à avance de phase peut être choisi d'ordre N en dupliquant N fois la cellule du ler ordre. Le pôle av2 est choisi en haute fréquence de façon à ce que le zéro puisse être plus basse fréquence et créer ainsi dans la bande passante du système une avance de phase. A l'initialisation, c'est-à-dire pendant l'étape d'identification du modèle de l'actionneur en phase initiale, le régulateur 17 à avance de phase a pour paramètre avi = av2, (ce qui Na(z) Ts -_ revient à Da(z)= 1) et av2 = e T avec T=3*Ts par exemple. T et Ts étant respectivement la constante de temps du régulateur et Ts la période d'échantillonnage. L'actionneur régulé par la loi de commande optimale sans pré-commande a pour équation B(z) R(z) (yc(k) - y(k)) y(k) = A(z)* S(z) * (z - 1 25 Soit encore : (A(z) * S(z) * (z - 1) + B(z) * R(z)) * y(k) = B(z) * R(z) * yc(k) En basse fréquence, du fait de l'intégrateur, on a y(k) ,-,' yc(k) , ainsi pour que le système soit stable en boucle fermée et ait la bonne dynamique de suivi de consigne on doit résoudre : ((A(z) * S(z) * (z - 1) + B(z) * R(z)) = P(z) 15 20 3036199 9 Où P(z) est la dynamique choisie en boucle fermée. P(z)= ADp(z)* C(z) Ts Avec ADp(z) obtenu en p-stabilisant la dynamique AD(z) = A(z) * (z - 1), p = e tau_bf et 5 tau bf est la constante de temps de régulation, Ts est la période d'échantillonnage. C(z) est un polynôme dont les racines sont réelles positives de module très inférieur à p Pour p-stabiliser le polynôme AD(z), on divise z par p et on calcule les coefficients du nouveau polynôme ainsi obtenu : 10 Posons AD(z),=Nz + Erg adk* zk Z 1 N N-1 1 k P AD (-) = ( * zN + 1 adk* P (-) *Zk = ADp(z) P k=0 En effet, si z1 est racine de AD(z), p * z1 est racine de ADp(z) donc ADp(z) est p-stable car AD(z) est stable ou intégrateur. Le calcul des coefficients du nouveau polynôme est itérative. 15 On pose ensuite : N+1 A(Z) * (Z - 1) = akzk k=0 N-1 S(Z) = / SkZk k=0 N-1 B(z) = 1 bkzk k=0 N R(z) - 1 - rkzk k=0 L'équation de placement de pôles est résolue en résolvant le système linéaire : 0 0 bo 0 0 0 -SN-1- =P2*N aN+1 0 0 bN-1 0 0 s0 - aN 0 ... ... ... rN P2*N-1 aN-1 ... bN_i 0 ... bN-1 0 bo - ro - Po 0 ao bo ... 0 aN+1 aN a1 ao 0 3036199 10 Or sN_, = 1, donc on réécrit le système sous la forme : aN+1 0 0 bN_i 0 0 -sN-2- P2*N-1 - aN aN aN+1 0 bN-2 bN-1 so 0 aN bo bN-1 0 rN P2 - 0 aN-1 0 bo ... ...bN_i - a() 0 ao 0 0 0 bo - ro - Po Pour résoudre le système G*X=Q, on applique l'algorithme de Gauss (car les termes 5 diagonaux de G sont non nuls) : i-1 Nx 1 xi (k + 1) = * * Xi (k + 1) - Gxj(k) Liu \ 1=1 i=i+1 On obtient ici une formulation récursive qui peut être implémentée dans un calculateur. 10 Ce régulateur 13 optimal une fois calculé est utilisé dans les phases de fonctionnement courantes du moteur 1. La figure 4 présente le comportement de la position (courbe 31) pour différents échelons de consigne de position (courbe 30). La partie initiale 40 représente la phase initiale 15 détaillée en figure 3 dans laquelle le moteur n'est pas démarré et pendant laquelle une loi de commande proportionnelle excite la position de l'actionneur 6 afin de pouvoir identifier le modèle de l'actionneur. Le comportement de l'actionneur 6 pour les échelons de commande suivants est déterminé par le régulateur optimal 13. Dans les phases suivantes, sur grands échelons ou petits échelons, le suivi de consigne respecte les 20 exigences de dépassement (ici fixée REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle en position adaptatif d'un ensemble de commande destiné à être utilisé dans un système technique, cet ensemble comprenant : un actionneur (6) électrique comportant un élément (7) mobile dont la position est à commander, un capteur (8) de position de l'élément (7) mobile apte à fournir un signal (y(k)) de mesure de la position de l'élément (7) mobile, une unité (10) de commande de l'actionneur (6) comprenant un régulateur (13) dit optimal destiné à être appliqué lors du fonctionnement courant du système, procédé dans lequel, ce régulateur (13) élabore un signal (u(k)) de commande de l'actionneur (6) en fonction d'un signal de consigne (yc(k)) et du signal (y(k)) de mesure de la position de l'élément (7) mobile, caractérisé en ce qu'il comprend une phase préalable à la commande de l'actionneur (6) par ce régulateur (13) optimal comprenant : a- Une étape d'excitation de l'actionneur (6) par un second régulateur (12), de sorte à faire osciller en position l'élément mobile (7) sur une consigne de position constante, b- Une étape d'acquisition des valeurs de commandes (u(k)) et de position (y(k)) de l'actionneur (6) pendant cette étape d'excitation, c- Une étape d'identification dans laquelle on calcule les valeurs des paramètres d'un modèle de l'actionneur (6) à partir des valeurs de commandes (u(k)) et de position (y(k)) acquises, d- Une étape de calcul du régulateur (13) optimal à appliquer à partir des valeurs obtenues des paramètres du modèle de l'actionneur (6). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second régulateur (12) est un régulateur proportionnel. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'identification des valeurs des paramètres du modèle de l'actionneur (6) s'effectue par méthode des moindres carrés récursifs. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul du régulateur (13) optimal s'effectue de manière récursive par la méthode des placements de pôles associé à un algorithme de Gauss. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, l'ensemble comprenant un régulateur (17) à avance de phase, si en cours de fonctionnement le régulateur (13) optimal n'est plus jugé adapté à la commande de 3036199 18 l'actionneur (6) en raison de l'apparition d'une perturbation attendue, on calcule les valeurs des paramètres d'un second modèle de l'actionneur (6) avec une telle perturbation, on calcule une avance de phase à partir de ces valeurs de paramètres calculés et on applique au régulateur (13), le régulateur à avance de phase (17) à 5 l'avance de phase déterminée. 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'avance de phase du régulateur (17) à avance de phase est réinitialisée lors de la phase préalable. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que si un dysfonctionnement du capteur (8) de position est détecté, on remplace dans 10 le régulateur optimal (13) le signal (y(k)) de mesure de la position de l'élément (7) mobile par une position estimée par le modèle de l'actionneur (6) identifié au cours de la phase préalable pour élaborer un signal (u(k)) de commande de l'actionneur (6). 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que si un dysfonctionnement du capteur (8) de position est détecté, on ajoute au signal de 15 commande élaboré par le régulateur optimal (13) une pré-commande déterminée en faisant la différence entre la valeur de la commande élaborée par le régulateur optimal (13) à partir de la position estimée et la valeur de commande (u(k)) obtenue avec le régulateur (13) à partir de la mesure de position (y(k)) pendant le fonctionnement sans dysfonctionnement du capteur (8) de position. 20 9. Unité (10) de commande électronique, caractérisée en ce qu'elle comprend les moyens d'acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que les moyens de commande requis à mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Ensemble de commande caractérisé en ce qu'il comprend un actionneur (6) 25 électrique comportant un élément (7) mobile dont la position est à commander, un capteur (8) de position de l'élément (7) mobile apte à fournir un signal (y(k)) de mesure de la position de l'élément (7) mobile, une unité (10) de commande selon la revendication précédente pour la commande de l'actionneur (6). 11. Moteur (1) à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de 30 commande selon la revendication précédente.