Brevet FR3129497A1 — publié le 20230526

L’invention concerne un système de commande pour système physique (SP) de véhicule automobile, le système de commande comprenant - un moyen de contrôle prédictif (FFN) du type à modèle, - un modèle embarqué (M) configuré pour obtenir des données de prédiction d’états du système physique (SP), le moyen de contrôle prédictif (FFN) étant configuré pour déterminer un signal de commande ( ) et un signal de référence ( ) optimaux sur la base d’états prédits ( ) du modèle embarqué (M), - un bloc tampon (BF) configuré pour mettre en mémoire tampon le signal de commande ( ) et le signal de référence ( ), - un régulateur rétroactif robuste (FBR) recevant ledit signal de référence ( ) mis en mémoire tampon et un signal de mesure de capteur en sortie du système physique (SP). L’invention concerne également un procédé et un programme sur la base d’un tel système. Figure 4 SYSTEME DE CONTROLE DE SYSTEME DYNAMIQUE POUR VEHICULES AUTOMOBILES, PROCEDE ET PROGRAMME SUR LA BASE D’UN TEL SYSTEME DE CONTROLE L’invention se rapporte au domaine des systèmes de contrôle des systèmes dynamiques pour véhicules automobiles, en particulier pour des contrôles de type prédictif. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le cadre du contrôle de la boucle d’air d’un moteur thermique, et est en outre envisagée pour le contrôle de la boucle d’air de la cathode d’une pile à combustible. La généricité de la solution proposée permet son application à un grand nombre de problèmes de commande optimales robustes rencontrés dans le domaine de l’automobile. Une solution de contrôle de l’art antérieur est basée sur un contrôle en chaine directe (ou « feedforward » en langue anglaise) par un modèle inverse MI, du type présenté en , pour des actionneurs d’un système physique SP. Ce type de loi de commande considère le modèle nominal d’un système piloté et l’utilise pour calculer une commande de sorte que . Malheureusement, cette loi de commande ne peut pas gérer les incertitudes paramétriques du système. En outre, elle n’est pas sensible aux bruits de mesure. Elle est souvent accompagnée par un régulateur feedback développé dans d’autres solutions. Une autre solution de contrôle de l’art antérieur est basée sur un contrôle en chaine directe FF et rétroactif FB (ou « feedback » en langue anglaise) des actionneurs du système, du type présenté en . Le contrôle en chaine directe FF permet de mettre en forme une commande nécessaire pour atteindre un objectif ou référence . Un régulateur rétroactif permet de conduire la sortie du système vers la référence en tenant compte des incertitudes paramétriques ainsi que de bruits de mesure . Une autre solution de contrôle de l’art antérieur est basée sur un contrôle prédictif basé sur un modèle, de type MPC (« L inear Model Predictive Control » en langue anglaise) dit linéaire ou non-linéaire (NMPC – « Nonlinear Model Predictive Control » en langue anglaise), du type présenté en . Dans cette figure, O est un optimiseur, SE est un module de simulation embarquée intégrant un modèle du système MS. Ce contrôle prédictif implique une loi de commande optimale en ligne. Son principe de fonctionnement est le suivant : Il utilise le modèle du système MS permettant de calculer l’évolution de ses sorties et états ; un estimateur d’états EE filtre les bruits de mesure et permet d’estimer les états actuels du système ; à chaque pas de temps, une optimisation détermine la commande minimisant une fonction de coût FC sur un horizon de temps fini ; des contraintes sur les commandes et/ou les états sont prises en compte ; et un premier élément E1 de la commande prédite est ensuite appliqué au système. Malheureusement, les solutions de l’art antérieur ne sont pas pleinement satisfaisantes notamment pour les raisons suivantes : Les dispersions paramétriques du système ne sont pas prises en compte lors de la conception et/ou du fonctionnement des régulateurs, leurs effets sont constatés tardivement après la construction. Les lois de commande linéaires ne permettent pas de prendre en compte explicitement des contraintes sur la commande et/ou sur les états. Les régulateurs MPC nécessitent la connaissance de l’état du système et donc d’estimateurs d’état qui sont sensibles aux bruits de mesure et aux incertitudes paramétriques du système. Les régulateurs prédictifs implantés en temps réel demandent un temps de calcul important pour optimiser la commande, notamment pour les systèmes non linéaires et/ou multivariables. L’invention vise à pallier les problèmes de l’art antérieur, et notamment à proposer une solution tenant compte des dispersions paramétriques du système, des contraintes sur la commande et/ou sur les états, des bruits de mesure et incertitudes paramétriques du système. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un système de commande pour système physique de véhicule automobile, le système de commande comprenant - un moyen de contrôle prédictif à base de modèle, - un modèle embarqué configuré pour obtenir des données de prédiction d’états du système physique, le moyen de contrôle prédictif étant configuré pour déterminer un signal de commande et un signal de référence optimaux sur la base d’états prédits du modèle embarqué, - un bloc tampon en sortie dudit moyen de contrôle prédictif, configuré pour mettre en mémoire tampon le signal de commande et le signal de référence, - un régulateur rétroactif robuste en sortie du bloc tampon, et en amont système physique, le régulateur rétroactif robuste recevant ledit signal de référence mis en mémoire tampon qu’il compare au signal de mesure de capteur en sortie du système physique. Avantageusement, un estimateur d’état n’est pas nécessaire, le moyen de contrôle prédictif utilisant les états prédits du modèle embarqué qu’il intègre. En outre, la performance de la loi de commande est peu dépendante du temps d’optimisation utilisé par le moyen de contrôle prédictif grâce au bloc tampon. De plus, le moyen de contrôle prédictif peut intégrer la connaissance des signaux futurs de référence grâce au modèle embarqué. L’effet des dispersions paramétriques du système est pris en compte et contré par le régulateur rétroactif robuste. Selon une variante, le régulateur rétroactif robuste reçoit en outre un signal de bruit. Cela permet de prendre en outre en compte le bruit de mesure dans la régulation. Selon une variante, le système de commande comprend en outre un moyen d’optimisation de commande et de référence sur la base des formules : , , avec un vecteur de commande , et un vecteur de consigne , en considérant un temps , où est une période d’échantillonnage et est un entier positif ; un horizon de prédiction , où est un nombre d’échantillons composant cet horizon ; un temps de calcul , avec , où est un nombre entier minimal de périodes nécessaires pour une optimisation. Cela permet d’avoir une valeur précise d’optimisation de commande. Selon une variante, le bloc tampon comprend un moyen de stockage configuré pour stocker, lors d’une optimisation courante du moyen de contrôle prédictif, les commandes et références obtenues à une optimisation précédente. Cela permet de mettre à profit une optimisation précédente pour une commande suivante. Selon une variante, le bloc tampon comprend en outre un moyen sélecteur configuré pour appliquer successivement les commandes et références issues du moyen de stockage. Cela permet d’appliquer des commandes optimisées. L’invention porte en outre sur un procédé de commande pour système physique de véhicule automobile, le procédé de commande comprenant les étapes suivantes : - déterminer, par contrôle prédictif du type à modèle, un signal de commande et un signal de référence optimaux sur la base d’états prédits d’un modèle embarqué, - mettre en mémoire tampon le signal de commande et le signal de référence, - mettre en œuvre une régulation rétroactive robuste sur la base dudit signal de référence mis en mémoire tampon comparé à un signal de mesure de capteur en sortie du système physique. Selon une variante, le procédé de commande comprend en outre une étape d’optimisation de commande et de référence sur la base des formules : ; , avec un vecteur de commande , et un vecteur de consigne , en considérant un temps , où est une période d’échantillonnage et est un entier positif ; un horizon de prédiction , où est un nombre d’échantillons composant cet horizon ; un temps de calcul , avec , où est un nombre entier minimal de périodes nécessaires pour une optimisation satisfaisante. Selon une variante, l’étape de mise en mémoire tampon comprend une étape de stockage pour stocker, lors d’une optimisation courante de l’étape de détermination par contrôle prédictif, les commandes et références obtenues à une optimisation précédente. Selon une variante, l’étape de mise en mémoire tampon comprend une étape de filtrage par sélecteur pour appliquer successivement les commandes et références issues de l’étape de stockage. Un autre objet de l’invention concerne un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes d’un procédé de commande selon l’invention, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. L’invention porte en outre sur un véhicule automobile comprenant un système de commande selon l’invention. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, parmi lesquelles : illustre schématiquement une solution de contrôle en chaine directe par modèle inverse de l’art antérieur ; illustre schématiquement une solution de contrôle en chaine directe FF et rétroactif de l’art antérieur ; illustre schématiquement une solution de contrôle prédictif à modèle linéaire ou non linéaire de l’art antérieur. illustre schématiquement un système de commande selon une variante préférée de l’invention ; illustre schématiquement un moyen de stockage d’un bloc tampon d’un système de commande selon la variante préférée de l’invention ; et illustre schématiquement un sélecteur d’un bloc tampon d’un système de commande selon la variante préférée de l’invention. L’invention concerne un système de commande pouvant inclure un algorithme de commande. Le problème courant du contrôle prédictif à base de modèle est sa sensibilité aux dispersions paramétriques du système piloté, aux bruits de mesure, et le temps de calcul qu’il nécessite. Contrairement au schéma de commande prédictif non linéaire NMPC classique produisant un signal de commande à la fois de type prédictif (« feedforward ») et rétroactif (« feedback »), le schéma de commande de l’invention propose d’utiliser un algorithme NMPC pour générer une commande de type prédictive et, de l’associer à un régulateur linéaire rétroactif robuste FBR. L’algorithme NMPC détermine une commande optimale à appliquer au système physique SP ainsi que la trajectoire nominale que doit suivre sa sortie. La robustesse de la régulation est assurée par le régulateur rétroactif FBR dont la sortie s’ajoute à celle de la commande NMPC. Ce régulateur robuste FBR permet de réagir à l’effet des dispersions paramétriques du système ainsi que des perturbations non mesurées. Le bruit de mesure ainsi que les dispersions paramétriques doivent être pris en compte lors de la synthèse du régulateur rétroactif FBR. Cette synthèse peut être de type , -synthèse, CRONE, QFT, etc. L’algorithme de commande proposé permet de tenir compte du temps de calcul de l’optimisation NMPC. Les signaux de commande et de référence sont actualisés quand chaque nouvelle optimisation se termine. Lors d’une optimisation, les signaux de commande et de référence résultant de l’optimisation précédente sont appliqués. L’intérêt de l’invention réside notamment dans la robustesse vis-à-vis des incertitudes paramétriques et des bruits ; le temps de calcul de l’optimisation pris en compte ; la prise en compte des contraintes temporelles lors de la détermination de la commande prédictive NMPC optimale ; la prise en compte des contraintes fréquentielles lors de la synthèse du régulateur rétroactif FBR ; l’inversion dynamique du modèle non linéaire nominal du système commandé grâce à la commande NMPC ; l’anticipation possible tenant compte des futurs signaux de consigne et de perturbation. L’invention proposée consiste à associer un algorithme NMPC générant une commande prédictive et un régulateur linéaire robuste FBR générant une commande rétroactive. Le régulateur rétroactif repose sur : - un modèle incertain du comportement linéaire du système à commander. Il permet de prendre en compte des points de fonctionnement potentiels, du comportement non linéaire, des variations paramétriques ; - des contraintes fréquentielles portant sur performances de la boucle fermée relatives aux signaux de consigne, perturbations, commandes et sorties ; - une optimisation hors ligne d’une fonction de coût sous contraintes pour régler les paramètres du régulateur ; - un signal de référence compatible avec les performances atteignables du système à commander. L’algorithme NMPC repose sur : - un modèle embarqué M (non linéaire, linéaire aux paramètres variants etc.) caractérisant finement le comportement nominal du système à commander ; - une fonction de coût (quadratique, linéaire, non linéaire) permettant une optimisation des performances ; - des contraintes portant sur la commande, les états et les sorties à asservir ; - un pas de temps permettant une bonne discrétisation du modèle embarqué et conforme aux capacités du calculateur ; - un horizon de prédiction permettant un calcul satisfaisant de la fonction de coût, notamment couvrant la durée des phénomènes transitoires à maitriser ; - un optimiseur permettant une optimisation en ligne de la commande prédictive avec des temps de calcul raisonnables. L’association de l’algorithme NMPC et du régulateur linéaire robuste est permise grâce à la logique décrite ci-dessous : - soit le temps , où est la période d’échantillonnage et est un entier positif ; - soit l’horizon de prédiction de l’algorithme NMPC , où est le nombre d’échantillons composant cet horizon ; - soit le temps de calcul de l’algorithme NMPC avec , où est le nombre entier minimal de périodes nécessaires pour une optimisation. Les résultats de l’optimisation déclenchée à un instant sont le vecteur de commande et le vecteur de consigne . Pour assurer la continuité de la commande, lors d’une optimisation en cours, les premières commandes et signaux de référence appliqués qui ont été obtenus lors de l’optimisation précédente sont : et . Ce fonctionnement est permis grâce à différentes sous-parties et notamment à un bloc tampon composé de deux blocs suivants : - un espace de stockage S1, illustré en , qui permet lors de l’optimisation NMPC courante lancée à l’instant de conserver les commandes et références obtenues par l’optimisation NMPC précédente ; - un sélecteur S2, illustré en , qui applique successivement au système piloté les commandes et références issues du bloc de stockage S1. Le fonctionnement de ces deux blocs est réalisé avec . La figure 6 correspond à et . Le trait en pointillé du graphique, à savoir correspond au début de l’optimisation en cours. Aux instants et les échantillons de commande et de référence utilisés sont le résultat de l’optimisation précédente (lancée à l’instant ) aux mêmes instants. La ligne verticale en trait continu du graphique indique la fin de l’optimisation en cours. Afin que la contrainte portant sur le signal de commande prédictif utilisée par l’optimisation NMPC soit adaptée, le niveau de la commande réellement appliqué au système (qui dépend également de la commande rétroactive) est régulièrement transmis à l’algorithme NMPC. L’invention porte en outre sur un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes d’un procédé de commande tel que décrit précédemment, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. En particulier, l’invention peut être intégrée dans un ordinateur de commande de véhicule automobile. L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant un système de commande tel que décrit précédemment. L’intérêt de l’invention en utilisation réside notamment dans une optimisation des trajectoires de référence pour un gain en performance ; un maintien des performances grâce à une robustesse vis-à-vis des dispersions paramétriques ; une maitrise de la sensibilité aux bruits de mesure ; une détermination d’une méthodologie générique adaptée aux contraintes d’une classe importante de systèmes à commander (non linéaire, multivariables, à paramètres dispersés, etc.) ; une implantation temps réel qui est compatible avec les performances de calculateurs automobiles série. Système de commande pour système physique (SP) de véhicule automobile, le système de commande comprenant - un moyen de contrôle prédictif (FFN) à base de modèle, - un modèle embarqué (M) configuré pour obtenir des données de prédiction d’états du système physique (SP), le moyen de contrôle prédictif (FFN) étant configuré pour déterminer un signal de commande ( ) et un signal de référence ( ) optimaux sur la base d’états prédits ( ) du modèle embarqué (M), - un bloc tampon (BF) en sortie dudit moyen de contrôle prédictif (FFN), configuré pour mettre en mémoire tampon le signal de commande ( ) et le signal de référence ( ), - un régulateur rétroactif robuste (FBR) en sortie du bloc tampon (BF), et en amont système physique (SP), le régulateur rétroactif robuste (FBR) recevant ledit signal de référence ( ) mis en mémoire tampon qu’il compare au signal de mesure de capteur en sortie du système physique (SP). Système de commande selon la revendication 1, comprenant en outre un moyen d’optimisation de commande et de référence sur la base des formules : , , avec un vecteur de commande , et un vecteur de consigne , en considérant un temps , où est une période d’échantillonnage et est un entier positif ; un horizon de prédiction , où est un nombre d’échantillons composant cet horizon ; un temps de calcul , avec , où est un nombre entier minimal de périodes nécessaires pour une optimisation. Système de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le bloc tampon (BF) comprend un moyen de stockage (S1) configuré pour stocker, lors d’une optimisation courante du moyen de contrôle prédictif (FFN), les commandes ( ) et références ( ) obtenues à une optimisation précédente. Système de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bloc tampon (BF) comprend en outre un moyen sélecteur (S2) configuré pour appliquer successivement les commandes et références issues du moyen de stockage (S1). Procédé de commande pour système physique (SP) de véhicule automobile, le procédé de commande comprenant les étapes suivantes : - déterminer, par contrôle prédictif du type à modèle, un signal de commande ( ) et un signal de référence ( ) optimaux sur la base d’états prédits ( ) d’un modèle embarqué (M), - mettre en mémoire tampon le signal de commande ( ) et le signal de référence ( ), - mettre en œuvre une régulation rétroactive robuste sur la base dudit signal de référence ( ) mis en mémoire tampon comparé à un signal de mesure de capteur en sortie du système physique (SP). Procédé de commande selon la revendication 5, comprenant en outre une étape d’optimisation de commande et de référence sur la base des formules : ; , avec un vecteur de commande , et un vecteur de consigne , en considérant un temps , où est une période d’échantillonnage et est un entier positif ; un horizon de prédiction , où est un nombre d’échantillons composant cet horizon ; un temps de calcul , avec , où est un nombre entier minimal de périodes nécessaires pour une optimisation satisfaisante. Procédé de commande selon l’une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que l’étape de mise en mémoire tampon comprend une étape de stockage pour stocker, lors d’une optimisation courante de l’étape de détermination par contrôle prédictif, les commandes ( ) et références ( ) obtenues à une optimisation précédente. Procédé de commande selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’étape de mise en mémoire tampon comprend une étape de filtrage par sélecteur (S2) pour appliquer successivement les commandes et références issues de l’étape de stockage. Programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l’exécution des étapes d’un procédé de commande selon l’une quelconque des revendication 5 à 8, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur. Véhicule automobile comprenant un système de commande selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.