Brevet FR3093137A1 — publié le 20200828

Description Titre de l'invention : Filtre numérique à fréquence de coupure variable DOMAINE TECHNIQUE GENERAL [0001] L'invention concerne la gestion des perturbations extérieures lors de mesures par capteurs, telles que les perturbations électromagnétiques sur des capteurs LVDT ( Linear Variable Différentiai Transformer). [0002] L'invention est applicable à tous les moteurs d'aéronef (avion ou hélicoptère notamment) mais elle sera illustrée dans le cadre général d'un open rotor, c'est-à-dire un moteur d'avion constitué d'un générateur de gaz (turbine) entrainant deux hélices à calage variable produisant la poussée. ETAT DE L'ART [0003] L'objectif principal d'un système de régulation est d'assurer la poussée souhaitée en s'appuyant sur des actionneurs (débit de carburant, angles de calage des hélices, etc.) qui permettent d'asservir les différents régimes du moteur tant au niveau du générateur de gaz que des hélices. [0004] Les masses métalliques en rotation des rotors induisent des perturbations électroma- gnétiques sur les mesures de tension des capteurs LVDT (Linear Variable Différentiai Transformer) et viennent ainsi perturber les asservissements. Ces perturbations sont corrélées aux différents régimes de rotation et ont donc des fréquences liées à ces régimes. Par exemple, dans le cadre d'un turboréacteur à hélices contrarotatives (également appelé open rotor), les régimes de rotation des hélices sont relativement faibles, et les fréquences des perturbations induites par la rotation de chaque hélice métallique se retrouvent dans la bande passante des différentes régulations il est donc nécessaire de les traiter. Exposé de l'invention [0005] Selon un premier aspect l'invention propose un procédé de filtrage d'un signal de mesure perturbé par des perturbations électromagnétiques générées par au moins une masse métallique, en rotation, d'un élément tournant d'une turbomachine, ledit. élément tournant étant entraîné à une vitesse de rotation connue, ledit procédé de filtrage utilisant un filtre présentant une fréquence de coupure variable, ladite fréquence de coupure étant fonction de la vitesse de rotation de l'élément tournant. [0006] Dans un mode de réalisation, le filtre reçoit en entrée le signal de mesure et un signal relatif à la vitesse de rotation. [0007] Dans un mode de réalisation, la fréquence de coupure variable con vaut co1=2I1/604-2, où Q est la vitesse de rotation exprimée en tour par minute. 2 [0008] Dans un mode de réalisation, le filtre s'exprime en continu selon un filtre de Notch d'ordre 2. [0009] Dans un mode de réalisation, le filtre de Notch d'ordre 2 est sous la forme suivante : [0010] [Math .1] 2 S,) 2(g) in7 s + 1 6.) El(s) - - 7 d - 2 +2, + n où m' est la fréquence de coupure et des paramètres de réglage [0011] Dans un mode de réalisation, un changement de variable a été effectué à l'aide de la transformation bilinéaire suivante : [0012] [Math.2] 2 (z -1) ->T8 z+1 où T. correspond à la fréquence d'échantillonnage du système, s correspond à la variable de Laplace et z correspond à l'opérateur discret. [0013] Dans un mode de réalisation, l'élément tournant est un rotor de turbomachine, comme un rotor de propulsion comprenant des pales ou des aubes, tel qu'un rotor d'un open rotor. Par open rotor, on entend une turbomachine à soufflante non carénée avec au moins un rotor de propulsion à pales. 100141 Selon un deuxième aspect, l'invention propose un filtre pour le filtrage d'un signal de mesure perturbé par des perturbations électromagnétiques générées par au moins une masse métallique, en rotation, d'un élément tournant d'une turbomachine, ledit élément tournant étant entraîné à une vitesse de rotation connue, ledit filtre comprenant une entrée recevant le signal de mesure et une valeur relative à la vitesse de rotation, et dans lequel la fréquence de coupure du filtre dépend de la valeur relative à la vitesse de rotation. 100151 Ce filtre peut être sous la forme d'un produit programme d'ordinateur comprenant des lignes de codes aptes à être exécutées par une unité de calcul (typiquement par le processeur de l'unité de calcul). 100161 Selon un troisième aspect, l'invention propose une unité de pilotage pour le pilotage d'un dispositif, l'unité de pilotage recevant en entrée un recevant en entrée une consigne, l'unité de pilotage comprenant un filtre tel que décrit précédemment pour générer un signal de mesure filtré et un correcteur recevant en entrée un signal d'erreur prenant en compte le signal de consigne et le signal de mesure filtré, le correcteur générant en sortie une commande à destination du dispositif. 3 Brève description des dessins [0017] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la des- cription qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés. [0018] [fig.1] La figure 1 illustre un schéma bloc d'un mode de réalisation global de l'invention. [0019] [fig.21 La figure 2 illustre un schéma bloc d'un mode de réalisation d'un filtre conforme à l'invention. [0020] [fig.31 La figure 3 illustre un diagramme de Bode du filtre de la figure 2. [0021] [fig.4a] Les figures 4a, 4b, 4e et 4d illustrent une comparaison de résultat avec et sans le filtre de la figure 3. [0022] [fig.4b] Les figures 4a, 4b, 4e et 4d illustrent une comparaison de résultat avec et sans le filtre de la figure 3. [0023] [fig.4c] Les figures 4a, 4b, 4e et 4d illustrent une comparaison de résultat avec et sans le filtre de la figure 3. [0024] [fig.4d] Les figures 4a, 4b, 4e et 4d illustrent une comparaison de résultat avec et sans le filtre de la figure 3. [0025] [fig.5a] Les figures 5a, 5b, 5e et 3d représentent un agrandissement des figures 4a, 4b, 4e et 4d (entre environ 36 et 37s). [0026] [fig.5b] Les figures 5a, 5b, 5e et 3d représentent un agrandissement des figures 4a, 4b, 4e et 4d (entre environ 36 et 37s). [0027] [fig.5c] Les figures 5a. 5b. 5c et 5d représentent un agrandissement des figures 4a. 4b. 4e et 4d (entre environ 36 et 37s). [0028] [fig.5d] Les figures 5a. 5b. 5e et 5d représentent un agrandissement des figures 4a. 4b. 4e et 4d (entre environ 36 et 37s). [0029] [fig.6a] Les figures 6a. 6b. 6e et 6d illustrent une comparaison de résultat avec le filtre de la figure 3 et avec un filtre à fréquence de coupure fixe. [0030] [fig.6b] Les figures 6a, 6b, 6e et 6d illustrent une comparaison de résultat avec le filtre de la figure 3 et avec un filtre à fréquence dc coupure fixe. [0031] [fig.6c] Les figures 6a, 6b, 6e et 6d illustrent une comparaison de résultat avec le filtre de la figure 3 et avec un filtre à fréquence dc coupure fixe. [0032] [fig.6d] Les figures 6a, 6b, 6e et 6d illustrent une comparaison de résultat avec le filtre de la figure 3 et avec un filtre à fréquence dc coupure fixe. Description des modes de réalisation [0033] En référence à la figure I a été illustré sous forme dc schéma bloc un ensemble relatif à un mode de réalisation de l'invention. [0034] A nouveau, on se place dans le cadre d'un moteur d'avion 10 (turbomachine par exemple, de type open rotor c'est-à-dire à soufflante non carénée comprenant au moins un rotor de propulsion à pâle) comprenant un élément tournant 12, qui peut être un rotor (hélice ou rotor de soufflante, dc turbine, de compresseur, etc.). La vitesse de rotation 52 de l'élément tournant 12 est supposée connue, par exemple grâce à des capteurs dc régime ou à l'aide d'un modèle reconstituant cette vitesse à partir d'autres paramètres. [0035] L'ensemble comprend un système 20 mécanique et/ou électrique et/ou hydraulique, comme par exemple un actionneur. [0036] Un capteur 22 permet de générer un signal de mesure x m à partir dc la sortie x du système 20. Dans l'exemple dc la présente description, le capteur 22 est un capteur LVDT. [0037] L'ensemble comprend également une unité dc pilotage 30, illustrée sous forme fragmentée sur la figure 1. L'unité de pilotage 30 comprend typiquement un processeur et une mémoire. L'unité de pilotage 30 met en oeuvre un filtre H, configure pour filtrer le signal de mesure x m du capteur 22 et sortir un signal de mesure filtré x mf. [0038] L'unité de pilotage 30 est aussi configurée pour générer un signal d'erreur x_e, formé un signal de consigne x_cons auquel a été soustrait le signal de mesuré corrigé x_mf (le signal d'erreur peut s'appeler erreur d'asservissement ou de feedback ou de suivi de consigne). Le signal de consigne x_cons provient d'une unité de consigne (non illustrée). L'unité de pilotage 30 comprend aussi un correcteur 32, configuré pour générer un signal de commande x_com à partir du signal d'erreur x_e. Le correcteur 32 n'est pas concerné par l'invention. Le signal de commande x_com (typiquement une tension ou un courant) permet l'activation du système 20. [0039] L'unité de consigne et l'unité de pilotage 30 peuvent être implémentée dans un cal- culateur (par exemple de type FADEC pour un aéronef). [0040] L'élément tournant 12 inclue une niasse métallique 14 pouvant générer des per- turbations électromagnétiques au niveau du capteur 22. Le signal mesuré x m est alors un signal perturbé. Ici, les perturbations sont globalement sinusoïdales avec des fréquences égales aux régimes de l'élément tournant 12. [0041] D'une façon plus générale, l'élément tournant 12 peut être toute pièce mobile qui génère une perturbation sur le capteur 22 et pour laquelle une fréquence peut être établie. [0042] Le filtre H reçoit en entrée le signal de mesure x m et la vitesse de rotation Q de l'élément tournant 12. Cette vitesse de rotation Q est généralement déjà à disposition d'un calculateur, donc facilement à disposition de l'unité de pilotage 30. [0043] Le filtre H présente une fréquence de coupure variable mr. Cette fréquence est fonction de la vitesse de rotation Q de l'élément tournant 12. En d'autres ternies, la mesure du régime des hélices est utilisée comme paramètre variant du filtre H. Plus précisément, la fréquence de coupure (on est exprimée proportionnellement à la vitesse de rotation Q. notamment par la relation fon=211/60x5-2, Q est exprimée en tour par minute. [0044] De la sorte, le filtre s'adapte au régime de fonctionnement du moteur 10 et permet de générer un signal filtré x_int de meilleure qualité que le signal de mesure x_m. [0045] Un mode de réalisation particulier va être donné, avec des résultats obtenus par si- mulation informatique. [0046] Le filtre H est un filtre de Notch d'ordre 2. Ce type de filtre est choisi car il permet d'avoir une bande de réjection très étroite pour limiter au maximum son impact dans le reste du domaine fréquentiel. En effet, comme la fréquence de coupure va suivre en temps réel l'évolution de la perturbation à filtrer, on peut se permettre de limiter cette bande de réjection en ne considérant que les précisions et latences de la chaine d'acquisition pour définir la largeur de cette bande. [0047] De plus, ce filtre a l'avantage d'avoir une forme avec une fréquence de coupure con explicite : [0048] [Math 3] LU n ± 9 S (.41 n 2 s 2 ± 2 s + 1 6 OÙ W' est la fréquence dc coupure, au, des paramètres de réglage et s la variable de Laplace. [0049] L'avantage de l'utilisation d'un filtre rejectcur de Notch est que l'atténuation peut être très importante sans avoir besoin de recourir à des filtres d'ordre élevé. De plus, le réglage est aisé puisque les paramètres de réglage sont « physiques » dans le sens où ils peuvent être directement reliés aux caractéristiques de filtrage (atténuation et bande passante). [0050] Néanmoins, aucune forme équivalente de ce filtre où la fréquence de coupure m' et les paramètres de réglage sa.'' ad sont explicites n'est définie dans le domaine discret c'est pourquoi il est préférable de partir de la forme continue, c'est-à-dire avec un filtre défini dans domaine continu. Pour utiliser ce filtre en discret tout en ayant toujours la présence explicite de la fréquence de coupure, on utilise la transformation bilinéaire suivante : [0051] [Math.4] 2 ( - 1 ) s T z + 1 où TF, correspond à la fréquence d'échantillonnage du système, s correspond à la variable de Laplace et z correspond à l'opérateur discret. 100521 Cette transformation permet d'obtenir un filtre discret qui reste du second ordre avec des paramètres toujours explicites et dont la forme est donnée ci-dessous : 100531 IMath.51 HL + (a) 'T s)2)z2 +. (toT3r.,-4)z (,w Ts + (a) 'T,14) (4+ 4e ,T, (a) ,Ts) ) z- (a) ,T xr -4)z + (4- dto 'T, 'T , )2) [0054] Le filtre H est placé dans une architecture telle qu'illustrée en figure 1. [0055] Le filtre H se présente sous la forme présentée en figure 2. L'équation du filtre H est donc la suivante : [0056] [Math.6] 100571 Hz avec IMath.71 - 100581 K IMath.81 nunbz + nurniz1 + nurno nurno - K = den)z-- + den-, z -1 + deno 4 + 4e w T + ( r/T s.)2 4 + 4e aw Ts + (CO s )2 = 1 [0059] 7 [Math.9] 2 ( ( CO ' T -4, flUflhl_44eT(Ty w [0060] [Math.10] 4 - 4e rI Cd + (w' s) 2 Milf119 = 4 + 4e il ts) Ts + (w n Ts ) 2 100611 1Math.111 deno = 1 100621 1Math.121 deni - 4 + 4e ato T + , ) 2 ( ( ' Ts) 2 - 4 100631 1Math.131 den2 = + 4e dc,t) Ts+ (conTs) Ts+ (wriTs) 2 100641 Les paramètres du filtre sont : Ts la période d'échantillonnage, l'On la pulsation de coupure (cette pulsation de coupure est prise telle que (1),=27r/60x52), `Ed et a_n deux paramètres de ré2lage du filtre qui permettent de le régler au travers de la largeur de sa bande de réjection et de son atténuation. 100651 Ainsi pour chaque nouvelle période d'échantillonnage, c'est-à-dire tous les Ts secondes (l'échantillon de temps suivant donc), il est possible de recalculer les valeurs des coefficients du filtre H avec la nouvelle fréquence de la perturbation. De cette manière, il est possible de conserver un filtrage adapté à la perturbation en tout temps. 100661 Les paramètres de réglage d et sont toujours explicites dans l'implémentation discrète présentée ci-dessus ce qui permet d'effectuer le réglage de ces deux paramètres dans le domaine continu (là où l'expression du filtre est simple), puis de les utiliser dans le domaine discret. 100671 Ces deux paramètres peuvent être directement reliés aux caractéristiques de filtrage à partir de l'expression du filtre continu. Ainsi, ils peuvent être réglés de la manière suivante : 100681 1Math.141 3 1- 0 X V 1 - 10 con i V10 -10 I - 100691 8 [Math.1.5] = 10 20 [0070] où x' est la largeur de la bande passante à -3 dB en radis et t est l'atténuation à co, en dB (avec t REVENDICATIONS[Revendication 1] Procédé dc filtrage d'un signal de mesure (x m) perturbé par des per- turbations électromagnétiques générées par au moins une masse métallique (14), en rotation, d'un élément tournant (12) d'une turbomachine, ledit élément tournant (12) étant entraîné à une vitesse de rotation (Q) connue, ledit procédé dc filtrage utilisant un filtre (H) présentant une fréquence de coupure variable (n), ladite fréquence de coupure (co') étant fonction de la vitesse de rotation (Q) dc l'élément tournant (12). [Revendication 2] Procédé de filtrage selon la revendication 1, dans lequel le filtre (H) reçoit en entrée le signal de mesure (x_m) et un signal relatif à la vitesse de rotation (Q). [Revendication 3] Procédé de filtrage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la fréquence de coupure variable co' vaut co' =211/60x52, où Q est la vitesse de rotation exprimée en tour par minute [Revendication 4] Procédé de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le filtre (F) est défini dans un domaine continu selon un filtre de Notch d'ordre 2. [Revendication 5] Procédé de filtrage selon la revendication 4, dans lequel le filtre (H) de Notch d'ordre 2 est sous la forme suivante : [Math.16] [Revendication 6] [Revendication 7] 9 11(s) - -.Z 2 to n s + 1 2 fi S - 2 + 2 .5 + 1 ri 6-1 i1 où w' est la fréquence de coupure et an, ad des paramètres de réglage. Procédé de filtrage selon la revendication 5, dans lequel un changement de variable a été effectué à l'aide de la transformation bilinéaire suivante : [Math.17] 2 ( - ) z+1 où T, correspond à la fréquence d'échantillonnage du système, s correspond à la variable de Laplace et z correspond à l'opérateur discret. Procédé dc filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'élément tournant (12) dc la turbomachine est un rotor dc propulsion comprenant des pales ou des aubes. 12 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] Procédé de filtrage selon la revendication 7, dans lequel la turbomachine est de type à soufflante non carénée comprenant au moins un rotor de propulsion à pales, et le régime de rotation de chaque rotor est par exemple compris entre 300 tr/min et 1300 tr/min. Filtre (F) pour le filtrage d'un signal de mesure (x mes) perturbé par des perturbations électromagnétiques générées par au moins une masse métallique (14), en rotation, d'un élément tournant (10, 12, 14) d'une turbomachine, ledit élément tournant étant entraîné à une vitesse de rotation connue (Q), ledit filtre (F) comprenant une entrée recevant le signal de mesure (x mes) et une valeur relative à la vitesse de rotation (Q), et dans lequel la fréquence de coupure (m') du filtre (F) dépend de la valeur relative à la vitesse de rotation (Q). Unité de pilotage (A) pour le pilotage d'un dispositif, l'unité de pilotage recevant en entrée une consigne (x cons), l'unité de pilotage comprenant - un filtre (H) selon la revendication 8 pour générer un signal de mesure filtré (x mesf) et - un correcteur recevant en entrée un signal d'erreur (x e) prenant en compte le signal de consigne (x cons) et le signal de mesure filtré mcsf), le correcteur générant en sortie une commande (x com) à destination du dispositif. Unité de pilotage (A) comprenant un filtre (H) configuré pour mettre en oeuvre le procédé de la revendication 1.