Brevet FR3054047A1 — publié le 20180119

DISPOSITIF DE RÉGULATION D'UNE CONSIGNE D'UN SYSTÈME PAR COMBINAISON D'UNE BOUCLE FERMÉE DE CORRECTION ET D'UNE BOUCLE OUVERTE DE COMPENSATION À FILTRE FRACTIONNAIRE L'invention concerne les systèmes équipés de régulation(s) permettant à l'une de leurs grandeurs physiques de suivre une consigne. L'invention concerne notamment les systèmes constituant des véhicules, éventuellement de type automobile. On notera que l'invention concerne non seulement les véhicules à conduite exclusivement manuelle, mais également les véhicules au moins partiellement autonomes (c'est-à-dire propres à être conduits manuellement pendant des phases de conduite manuelle ou de façon automatisée pendant des phases de conduite autonome, ou bien propres à être conduits en permanence de façon automatisée pendant des phases de conduite autonome). Dans certains systèmes, et notamment dans un véhicule, on peut, par exemple, utiliser un régulateur de vitesse actif ou adaptatif pour générer une commande pour le moteur destinée à permettre à la vitesse du véhicule de 2 0 suivre une consigne imposée. Cette consigne est soit sélectionnée par le conducteur du véhicule, soit déterminée par un équipement embarqué dans le véhicule, par exemple en fonction d'instructions fournies par le conducteur ou d'une limitation de vitesse imposée sur le tronçon de route emprunté par le véhicule. 25 Parfois, la consigne fait l'objet d'une régulation automatisée au moyen d'un dispositif de régulation. Comme le sait l'homme de l'art, le dimensionnement (ou la conception) d'un dispositif de régulation (éventuellement de vitesse) doit se faire en fonction des performances que l'on souhaite qu'il offre. Dans un véhicule, ces performances dépendent 3 0 généralement d'un compromis entre la sécurité et le confort. Or, l'obtention d'une sécurité optimale est un objectif qui est antagoniste de l'obtention d'un confort optimal, du fait qu'une plus grande sécurité sous-entend une plus 3054047 2 grande réactivité alors qu'un plus grand confort implique des variations d'accélération douces. Actuellement, les dispositifs de régulation comprennent des outils classiques de l'automatique comme par exemple un correcteur robuste 5 (mettant en oeuvre une technique de type H infini, commande prédictive ou commande d'ordre non entier, par exemple) et un pré-filtre de consigne ou une pré-commande (mettant en oeuvre respectivement des techniques de type compensation de tout ou partie du système en boucle fermée ou du système seul). Un exemple d'un dispositif de régulation DR' de l'art antérieur est illustré 10 schématiquement sur la figure 1. Dans cet exemple, le dispositif de régulation DR' fait partie d'un régulateur de vitesse RV' qui équipe un système S constituant un véhicule (éventuellement de type automobile). Ce dispositif de régulation DR' comprend des moyens de filtrage MF' agencés pour filtrer une consigne ce (ici de vitesse) avec un filtre d'ordre entier pour délivrer un signal 15 d'entrée filtré sf, et des moyens de correction MC' propres à produire un signal de commande scs pour ce système S en fonction du signal d'entrée filtré sf et d'un signal de sortie ss du système S en présence d'au moins une perturbation (externe) pe subie par ce système S. A titre d'exemple, le signal de commande scs peut être une tension de commande d'une machine électrique motrice d'un véhicule ou une consigne de couple ou d'accélération imposée à la régulation du moteur thermique d'un véhicule. Le signal de sortie ss du système S est égal à la somme de la perturbation externe pe et d'un signal sr résultant de l'application du signal de commande scs au système S. A titre d'exemple, le signal de sortie ss peut être la vitesse instantanée du système S. Les moyens de filtrage MF' assurent, par exemple, un filtrage de la consigne résultant d'un pré-filtrage combiné à une compensation du système S régulé en boucle fermée. Les moyens de correction MC' définissent une boucle fermée (ou « feedback loop ») et comprennent, d'une part, un soustracteur ST' agencé pour délivrer un signal de différence sd égal au résultat de la différence entre le signal d'entrée filtré sf et le signal de sortie ss, et, d'autre part, un correcteur CR' agencé pour corriger ce signal de différence sd et délivrer le signal de commande scs. Le module référencé MS, qui reçoit le signal de commande scs, représente le modèle du système (c'est-à-dire sa 3054047 3 fonction de transfert qui permet de passer du signal de commande scs au signal sr). Le module référencé AD' représente un additionneur matérialisant symboliquement l'ajout de la perturbation externe pe au signal sr. Les dispositifs de régulation connus présentent un manque 5 d'adaptabilité aux grandes variations de vitesse. De plus, l'utilisation de tels dispositifs de régulation est habituellement limitée à certaines plages (par exemple de vitesse) qu'il faut étendre lorsque le système est au moins partiellement autonome. Par ailleurs, la consigne filtrée doit être adaptée à la boucle de 10 commande de façon à être la plus optimale en terme de performance et réalisable par le système régulé. Comme indiqué plus haut, en règle générale, cette génération est réalisée au moyen d'un pré-filtrage de consigne d'ordre entier. Or, un tel ordre entier contraint les variations de commande et donc les variations d'accélération qui sont appliquées au système. 15 L'invention a donc notamment pour but d'améliorer cette situation. Elle propose notamment à cet effet un dispositif, destiné à réguler une consigne d'un système, et comprenant des moyens de filtrage agencés pour filtrer une consigne et délivrer un signal d'entrée filtré, et des moyens de correction propres à produire un signal de commande pour ce système en 20 fonction du signal d'entrée filtré et d'un signal de sortie du système en présence d'au moins une perturbation subie par ce système. Ce dispositif de régulation se caractérise par le fait : - que ses moyens de filtrage comprennent un pré-filtre agencé pour réaliser un pré-filtrage de la consigne selon un ordre non entier pour délivrer un 25 signal d'entrée pré-filtré, et un premier compensateur agencé pour appliquer à ce signal d'entrée pré-filtré une première compensation fonction d'une première partie d'un modèle du système pour délivrer le signal d'entrée filtré, et - qu'il comprend un second compensateur agencé pour appliquer au signal 30 d'entrée pré-filtré une seconde compensation fonction d'une seconde partie du modèle pour délivrer un signal auxiliaire propre à être utilisé par les moyens de correction pour produire le signal de commande. 3054047 4 Ainsi, on dispose d'une bien meilleure souplesse dans le choix des paramètres des moyens de filtrage, et donc d'un bien meilleur contrôle des performances de la boucle de régulation de la consigne. Le dispositif de régulation selon l'invention peut comporter d'autres 5 caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - la première partie du modèle peut définir une partie haute fréquence d'une première fonction de transfert décrivant ce modèle, et la seconde partie du modèle peut définir une partie basse fréquence de cette première fonction 10 de transfert ; - la première compensation peut consister à appliquer la première partie du modèle du système, et la seconde compensation peut consister à appliquer l'inverse de la seconde partie du modèle du système ; - ses moyens de correction peuvent comprendre, d'une première part, un 15 soustracteur agencé pour délivrer un signal de différence égal au résultat de la différence entre le signal d'entrée filtré et le signal de sortie, d'une deuxième part, un correcteur agencé pour corriger ce signal de différence pour délivrer un signal corrigé, et, d'une troisième part, un additionneur agencé pour additionner le signal auxiliaire à ce signal corrigé pour produire 20 le signal de commande ; le pré-filtre peut être agencé pour appliquer un pré-filtrage d'ordre non entier choisi parmi (au moins) un pré-filtrage dit de Davidson-Cole, un pré-filtrage dit de Cole-Cole, et un pré-filtrage dit de Havriliak-Negami. L'invention propose également un régulateur d'une grandeur physique 25 à contrôler, destiné à équiper un système et comprenant un dispositif de régulation du type de celui présenté ci-avant. Par exemple, cette grandeur physique à contrôler peut être une vitesse. L'invention propose également un système comprenant un régulateur de grandeur physique à contrôler du type de celui présenté ci-avant et/ou au 3 0 moins un dispositif de régulation du type de celui présenté ci-avant. Un tel système peut, par exemple, constituer un véhicule, éventuellement de type automobile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à 3054047 5 l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 illustre schématiquement et fonctionnellement un système comprenant un régulateur de vitesse équipé d'un exemple de réalisation 5 d'un dispositif de régulation de l'art antérieur, et la figure 2 illustre schématiquement et fonctionnellement un système comprenant un régulateur de vitesse équipé d'un exemple de réalisation d'un dispositif de régulation selon l'invention. L'invention a notamment pour but de proposer un dispositif de 10 régulation DR destiné à permettre une régulation d'une consigne au sein d'un système S. Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que le système S est un véhicule, éventuellement de type automobile (comme par exemple une voiture). Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de système. 15 Elle concerne en effet tout type de système dans lequel est utilisée au moins une consigne devant faire l'objet d'une régulation automatisée. Par conséquent, l'invention concerne notamment les différents types de véhicule (terrestre, maritime ou fluvial, ou aérien), les appareils, les installations (éventuellement de type industriel), et les bâtiments. 20 On a schématiquement représenté sur la figure 2 un exemple de réalisation d'un dispositif de régulation DR selon l'invention. Dans cet exemple non limitatif, le dispositif de régulation DR fait partie d'un régulateur de vitesse RV chargé de contrôler la régulation de vitesse du véhicule (ou système) S au moyen d'une consigne de vitesse ce sélectionnée par le conducteur du 25 véhicule S ou déterminée par un équipement embarqué dans le véhicule S, par exemple en fonction d'instructions fournies par le conducteur ou d'une limitation de vitesse imposée sur le tronçon de route emprunté par le véhicule S. Mais la consigne ce, faisant l'objet d'une régulation, pourrait être 3 0 différente d'une consigne de vitesse. Par conséquent, le dispositif de régulation DR pourrait faire partie d'un autre type de régulateur. Ainsi, et toujours dans le cas non limitatif d'un véhicule, il pourrait s'agir d'une consigne de positionnement du volant (pour la régulation de la dynamique latérale), 3054047 6 d'une consigne d'accélération, par exemple pour les phases de dépassement ou de toute autre grandeur physique du système S à contrôler. On notera d'ailleurs, qu'un système S peut comprendre un régulateur de grandeur physique à contrôler RV et/ou au moins un dispositif de régulation 5 DR. On notera également que le système S est défini par un modèle MS qui est lui-même défini par une première fonction de transfert G(s) qui permet de passer d'un signal de commande scs, produit (en sortie) par le dispositif de régulation DR, à un signal sr du système S en l'absence de perturbation 10 (externe) pe. Une perturbation externe pe peut, par exemple, être du vent, une pente, ou de la pluie, ou plus généralement toute autre perturbation ayant un effet sur une grandeur physique à contrôler. Dans l'exemple qui est ici décrit non limitativement, le signal de 15 commande scs peut être une tension de commande d'une machine électrique motrice du véhicule S ou une consigne de couple ou d'accélération régulée pour un moteur thermique du véhicule S. Le signal sr est un signal qui résulte de l'utilisation du signal de commande scs dans le système S (représenté par le modèle MS défini par 20 G(s)). Le signal de sortie ss du système S est égal à la somme de la (des) perturbation(s) externe(s) pe, subie(s) par le système S, et du signal sr (soit ss = sr + pe). Le module référencé AD sur la figure 2 représente un additionneur matérialisant symboliquement l'ajout de la perturbation externe pe au signal sr. 25 Dans l'exemple qui est ici décrit non limitativement, le signal de sortie ss peut, par exemple, être la vitesse en cours du véhicule S. Comme illustré sur la figure 1, un dispositif de régulation DR, selon l'invention, comprend des moyens de filtrage MF, des moyens de correction MC et un (second) compensateur C2. 30 Les moyens de filtrage MF sont agencés pour filtrer la consigne ce afin de délivrer un signal d'entrée filtré sf. Ces moyens de filtrage MF comprennent un pré-filtre PF et un premier compensateur C1. Le pré-filtre PF est agencé pour réaliser un pré-filtrage de la consigne 3054047 7 ce selon un ordre non entier (ou fractionnaire) afin de délivrer un signal d'entrée pré-filtré spf. Ce pré-filtrage se fait en appliquant à la consigne ce une fonction de pré-filtrage F(s) qui fixe la dynamique souhaitée de suivi de la consigne ce par ss. Cette fonction de pré-filtrage F(s) est, par exemple, de 5 type passe-bas. Le premier compensateur Cl est agencé pour appliquer au signal d'entrée pré-filtré spf une première compensation qui est fonction d'une première partie pl du modèle MS du système S, afin de délivrer le signal d'entrée filtré sf. 10 Par exemple, la première partie pl du modèle MS représente une partie haute fréquence Ghf(s) de la fonction de transfert G(s) qui décrit ce modèle MS. Dans ce cas, la première compensation (mise en oeuvre par le premier compensateur C1) peut consister à appliquer la première partie pl du modèle MS du système S, à savoir Ghf(s). 15 Egalement par exemple, le pré-filtre PF peut être agencé pour appliquer un pré-filtrage choisi parmi au moins un pré-filtrage dit de DavidsonCole, un pré-filtrage dit de Cole-Cole, et un pré-filtrage dit de Havriliak-Negami. Les moyens de correction MC sont propres à produire le signal de commande scs pour le système S en fonction du signal d'entrée filtré sf et du 20 signal de sortie ss du système S en présence d'au moins une perturbation (externe) pe subie par le système S. Ces moyens de correction MC définissent une boucle fermée (ou « feedback loop »). Le second compensateur C2 est agencé pour appliquer au signal d'entrée pré-filtré spf une seconde compensation qui est fonction d'une 25 seconde partie p2 du modèle MS, afin de délivrer un signal auxiliaire sa qui est propre à être utilisé par les moyens de correction MC pour produire le signal de commande scs. En d'autres termes, les moyens de correction MC produisent le signal de commande scs en fonction du signal d'entrée filtré sf, du signal de sortie ss et du signal auxiliaire sa. On notera que le second 30 compensateur C2 est installé en boucle ouverte (ou « feedforward loop »). Par exemple, la seconde partie p2 du modèle MS définit une partie basse fréquence Ghf(s) de la fonction de transfert G(s) qui décrit ce modèle MS. Dans ce cas, la seconde compensation (mise en oeuvre par le second 3054047 8 compensateur C2) peut consister à appliquer l'inverse de la seconde partie p2 du modèle MS du système S, à savoir G-lbf(s). On comprendra que dans ce cas la première fonction de transfert G(s) est égale à Gbf(s)*Ghf(s). Cette séparation du modèle MS (ou G(s)) en deux 5 parties (Gbf(s) et Ghf(s)) permet avantageusement de choisir des ordres de filtrage plus faibles. Grâce à ce placement d'un second compensateur C2 en « feedforward » dans la boucle de régulation de la consigne ce (ici de vitesse) et à l'utilisation d'un pré-filtre PF non entier (ou fractionnaire) en entrée du 10 dispositif de régulation DR pour pré-filtrer la consigne ce, on dispose d'une bien meilleure souplesse dans le choix des paramètres du filtre (défini par les moyens de filtrage MF (= PF + Cl )), et donc d'un bien meilleur contrôle des performances de la boucle de régulation. A titre d'exemple, et comme illustré non limitativement sur la figure 2, 15 les moyens de correction MC peuvent comprendre un soustracteur ST, un correcteur CR et un additionneur AD. Le soustracteur ST est agencé pour délivrer un signal de différence sd qui est égal au résultat de la différence entre le signal d'entrée filtré sf et le signal de sortie ss (soit sd = sf - ss). Le correcteur CR est agencé pour corriger le signal de différence sd pour délivrer 20 un signal corrigé scr. L'additionneur AD est agencé pour additionner le signal auxiliaire sa au signal corrigé scr afin de produire le signal de commande scs. On comprendra que lorsque que le signal de différence sd est nul (soit sf - ss = 0), cela signifie que le modèle MS décrit parfaitement le système S. On notera qu'il est préférable de commencer par dimensionner le 25 correcteur CR. Pour ce faire, on peut, par exemple, utiliser des méthodes connues telles que CRONE, Hinf, QFT ou PID. Puis, on détermine la fonction de pré-filtrage F(s) d'ordre non entier (ou fractionnaire) de manière à conserver le maximum de paramètres de réglages possibles. Lorsque l'on utilise un pré-filtre d'ordre non entier PF de type 3 0 Davidson-Cole, la fonction de pré-filtrage Fpc(s) est donnée par la formule : 3054047 9 F 'c(s)= 1 où (c0F,n)e(9î±*)2 ,c0F estla fréquencede coupure, et n estl' ordre. On peut alors démontrer que l'erreur intégrale le de la réponse indicielle d'un tel pré-filtre PF vérifie la relation : = f S Dc(t))dt = 0 CaF où H(t) estla consigneen échelon et S pc(t)estlaréponsedu pré - filtreà cetteconsigne 5 Dans le domaine fréquentiel, les fonctions de sensibilité T'ss,spf(s) = ss(s)/spf(s) et S'scs,spf = scs(s)/spf(s) peuvent être utilisées pour déterminer les paramètres n et wF de la fonction de pré-filtrage Fcc(s) en présence d'un feedforward (ici le second compensateur C2). Pour trouver ces paramètres n et WF, on résout le problème de minimisation suivant : 10 min (/ ) e Fw)Sscs DC (i \I s',spf cemaxmax où scsmax est le maximum du signal de commande scs, cemax est la variation maximale de la consigne ce, et Sscs,spf(jw) représente le transfert entre la consigne ce et le signal de commande scs et permet donc de contraindre le 15 problème d'optimisation pour éviter la saturation du signal de commande scs. On notera qu'étant donné que la contrainte précitée est difficile à dimensionner précisément dans la pratique, elle peut être adaptée empiriquement si cela s'avère nécessaire. On notera également que choisir un ordre n non entier (ou 20 fractionnaire) pour la fonction de pré-filtrage Fpc(s) permet avantageusement d'obtenir des réglages plus fins du fait de la disponibilité d'un nombre beaucoup plus important de pentes de décroissance (et notamment de toutes les pentes intermédiaires qui sont comprises entre les pentes disponibles avec des ordres entiers). Mais cela permet également de diminuer l'ordre minimal. 25 Un minimum d'erreur de traînage est atteint pour un ordre n égal à 1,5, alors que le temps de réponse se dégrade légèrement lorsque l'ordre n diminue. Ainsi, l'utilisation d'un pré-filtre PF d'ordre non entier (ou fractionnaire) permet de faire un compromis entre la rapidité et la réactivité. (1+ S I COF)n sous contrainte 3054047 10 L'invention permet avantageusement de dimensionner un dispositif de régulation de consigne et un régulateur (éventuellement de vitesse), au niveau de leurs performances, pour obtenir un meilleur compromis entre le temps de réponse et la réactivité. Dans le cas d'un véhicule, un temps de réponse 5 minimal améliore la sécurité, et une réactivité trop importante diminue le confort des passagers. REVENDICATIONS1. Dispositif (DR) de régulation d'une consigne d'un système (S), ledit dispositif (DR) comprenant des moyens de filtrage (MF) agencés pour filtrer ladite consigne pour délivrer un signal d'entrée filtré, et des moyens de correction (MC) propres à produire un signal de commande pour ledit système (S) en fonction dudit signal d'entrée filtré et d'un signal de sortie dudit système (S) en présence d'au moins une perturbation subie par ledit système (S), caractérisé en ce que lesdits moyens de filtrage (MF) comprennent un pré-filtre (PF) agencé pour réaliser un pré-filtrage de ladite consigne selon un ordre non entier pour délivrer un signal d'entrée pré-filtré, et un premier compensateur (C1) agencé pour appliquer audit signal d'entrée pré-filtré une première compensation fonction d'une première partie d'un modèle dudit système (S) pour délivrer ledit signal d'entrée filtré, et en ce qu'il comprend un second compensateur (C2) agencé pour appliquer audit signal d'entrée pré-filtré une seconde compensation fonction d'une seconde partie dudit modèle pour délivrer un signal auxiliaire propre à être utilisé par lesdits moyens de correction (MC) pour produire ledit signal de commande. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première partie du modèle définit une partie haute fréquence d'une première fonction de transfert décrivant ledit modèle, et ladite seconde partie du modèle définit une partie basse fréquence de ladite première fonction de transfert. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première compensation consiste à appliquer ladite première partie du modèle du système (S), et ladite seconde compensation consiste à appliquer l'inverse de la seconde partie du modèle du système (S). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de correction (MC) comprennent i) soustracteur (ST) agencé pour délivrer un signal de différence égal au résultat de la différence entre ledit signal d'entrée filtré et ledit signal de sortie, ii) un correcteur (CR) agencé pour corriger ledit signal de différence pour délivrer un signal corrigé, et ii) un additionneur (AD) agencé pour additionner ledit signal auxiliaire audit signal 3054047 12 corrigé pour produire ledit signal de commande. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit pré-filtre (PF) est agencé pour appliquer un pré-filtrage d'ordre non entier choisi dans un groupe comprenant un pré-filtrage dit de Davidson-Cole, un 5 pré-filtrage dit de Cole-Cole, et un pré-filtrage dit de Havriliak-Negami. 6. Régulateur de grandeur physique à contrôler (RV) pour un système (S), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de régulation (DR) selon l'une des revendications 1 à 5. 7. Régulateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite 10 grandeur physique à contrôler est une vitesse. 8. Système (S), caractérisé en ce qu'il comprend un régulateur de grandeur physique à contrôler (RV) selon l'une des revendications 6 et 7 et/ou au moins un dispositif de régulation (DR) selon l'une des revendications 1 à 5. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il constitue un 15 véhicule. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il constitue un véhicule de type automobile.