Introduction à l’automatisation -ELE3202- Cours #12: Commande des systèmes échantillonnés Enseignant: Jean-Philippe Roberge Jean-Philippe Roberge -

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1 Introduction à l’automatisation -ELE Cours #12: Commande des systèmes échantillonnés Enseignant: Jean-Philippe Roberge Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

2 Cours # 12 Fin du dernier cours: Commande des systèmes échantillonnés
Retour sur le théorème de la fréquence d’échantillonnage Fonctions de transfert pulsées: Éléments en cascade Éléments en boucle fermée Stabilité d’une fonction de transfert pulsée Commande des systèmes échantillonnés Lieux des racines Test de stabilité de Jury Erreur en régime permanent Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

3 Cours # 12 Type d’une fonction de transfert pulsée
Équivalent discret d’un contrôleur continu: Équivalent discret d’un contrôleur PID: Différence arrière Transformation bilinéaire Réponse invariante à l’échelon Réponse basée sur le système de deuxième ordre Présentation d’intérêts d’étudiants: Photographie (I) Application au domaine de l’aéronautique(II) Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

4 Cours #12 Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

5 Choix d’une fréquence d’échantillonnage (I) Théorème d’échantillonnage de Nyquist-Shannon
Le théorème de Nyquist-Shannon (aussi parfois nommé « le théorème d’échantillonnage) énonce que la fréquence à laquelle on échantillonne un certain signal doit être au moins supérieure au double de la fréquence maximale qui compose ce signal, c’est-à-dire: De façon plus formelle (tirée de [8]) : “Soit un signal continu qui possède un spectre de fréquence maximale Fmax, il est possible d’échantillonner (discrétiser) ce signal sans perte d’information si la fréquence d’échantillonnage Fs est choisie telle que le théorème d’échantillonnage soit respecté”. Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

6 Choix d’une fréquence d’échantillonnage (II) Théorème d’échantillonnage de Nyquist-Shannon
Tiré de [7] Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

7 Choix d’une fréquence d’échantillonnage (III) Théorème d’échantillonnage de Nyquist-Shannon
À la limite, si un signal est échantillonné à exactement 2 fois sa fréquence maximale (source image - wikipédia) : Plusieurs signaux différents peuvent interpoler le signal véritable, c’est donc la raison pourquoi il faut que la fréquence d’échantillonnage soit plus de deux fois plus grande et non « plus grande ou égale » à la fréquence maximale qui compose le signal véritable. Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

8 Fonction de transfert pulsée (I) Éléments en cascade
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

9 Fonction de transfert pulsée (II) Éléments en boucle fermée
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

10 Fonction de transfert pulsée (III) Éléments en boucle fermée
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

11 Fonction de transfert pulsée (IV) Exemple I
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

12 Fonction de transfert pulsée (V) Exemple I
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

13 Fonction de transfert pulsée (VI) Exemple I
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

14 Fonction de transfert pulsée (VII) Stabilité
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

15 Fonction de transfert pulsée (VIII) Stabilité
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

16 Retour sur le bloqueur d’ordre 0 (I)
Q: Quel est l’intérêt du bloqueur d’ordre 0? R: Le bloqueur d’ordre 0 est fréquemment utilisé en tant que convertisseur digital à analogique. C’est un système qui interpole grossièrement les échantillons. Il peut d’ailleurs précisément reproduire un signal analogique, tant et aussi longtemps que la période d’échantillonnage « T » est petite en comparaison à la période de temps associée à la phase transitoire dudit signal. Plus particulièrement, la fréquence d’échantillonnage doit respecter le théorème de Shannon-Nyquist: Où ws est la fréquence d’échantillonnage et w1 est la fréquence contenu dans le signal à échantillonner. Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

17 Retour sur le bloqueur d’ordre 0 (II)
La fonction de transfert d’un bloqueur d’ordre 0 (nous l’avons développé au dernier cours) est: En général, lorsque nous effectuerons l’analyse d’un système dans le domaine discontinu, nous considérerons souvent le schéma général suivant: Entrée = référence (digital) Ordinateur Convertisseur digital à analogique Actuateur Procédé Capteur analogique à digital Sortie (analogique) Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

18 Retour sur le bloqueur d’ordre 0 (III)
Ou encore: Donc: En considérant un contrôleur de proportionnel: + - Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

19 Commande des systèmes échantillonnés (I) Lieu des racines
Donc, similairement au lieu des racines dans le domaine de Laplace, le lieu des racines sera du système en boucle fermée, dans le domaine échantillonné, sera déterminé par: De plus, puisque z est complexe, le lieu des racines du système en boucle fermée est sujet aux règles d’Evans (exactement les mêmes), tout comme dans le domaine de Laplace. Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

20 Commande des systèmes échantillonnés (II) Lieu des racines
Remarques: Les techniques montrées précédemment pour « placer les pôles » du système en utilisant les relations d’angle et d’amplitude s’appliqueront. La région d’intérêt sera maintenant l’intérieur du cercle unitaire (centré à l’origine) et non la partie gauche du plan complexe. Pour un G(z) avec n − m > 0, il y aura toujours au moins une asymptote qui sortira du cercle unitaire et le gain K sera donc donc toujours borné supérieurement. Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

21 Commande des systèmes échantillonnés (III) Test de stabilité de Jury
Lorsque nous étions dans le domaine de Laplace nous utilisions la table de Routh-Hurwitz afin de déterminé la stabilité ou l’instabilité d’un système. Le test de Jury vise le même objectif et passe par la création du « tableau de Jury » Il y a une analogie évidente à faire entre Routh-Hurwitz (Laplace – systèmes continus) et Jury (transformé en z – systèmes discontinus) Pour déterminer si tous les pôles d’un polynômes en z sont à l’intérieur du cercle unitaire, il faudra utiliser le test de stabilité de Jury. Considérons le polynôme caractéristique d’un système (boucle fermée): Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

22 Commande des systèmes échantillonnés (IV) Test de stabilité de Jury
Il faut alors vérifier si tous les pôles du polynôme en z sont à l’intérieur du cercle unitaire centré à l’origine. Pour ce faire, on construit le tableau de Jury: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

23 Commande des systèmes échantillonnés (V) Test de stabilité de Jury
Avec: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

24 Commande des systèmes échantillonnés (VI) Test de stabilité de Jury
Finalement: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

25 Commande des systèmes échantillonnés (VII) Erreur en régime permanent
La notion de l’erreur en régime permanent, tout comme pour les systèmes dans le domaine de Laplace, utilisera évidemment le théorème de la valeur finale. Soit le système suivant: Alors, la fonction de transfert du système est donnée par: L’erreur de suivi, quant à elle est donnée par: Donc, l’erreur en régime permanent: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

26 Commande des systèmes échantillonnés (VIII) Erreur en régime permanent – entrée échelon
Ainsi, pour une entrée échelon, on a: Donc: Où: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

27 Commande des systèmes échantillonnés (IX) Erreur en régime permanent – entrée rampe
Ainsi, pour une entrée rampe, on a: Donc: Propriété des limites: La limite de produit est aussi égal au produit des limites: Où: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

28 Commande des systèmes échantillonnés (X) Erreur en régime permanent – entrée parabole
Ainsi, pour une entrée rampe, on a: Donc: Où: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

29 Commande des systèmes échantillonnés (XI) Type d’une fonction de transfert pulsée
Le « type » d’une fonction de transfert pulsée correspond au nombre de pôle situé en z=1. Tout comme dans le domaine de Laplace, il existe un lien direct entre le type d’une fonction de transfert pulsée et l’erreur en régime permanent pour une entrée connue (e.g.: un échelon, une rampe ou une parabole). Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

30 Commande des systèmes échantillonnés (XII) Type d’une fonction de transfert pulsée VS E.R.P
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

31 Commande des systèmes échantillonnés (XIII) Équivalent discret d’un contrôleur continu
Le contrôleur PID du domaine continu (Laplace) possède son équivalent dans le domaine discret, et il est en fait assez facile de passer de la forme continue à discret. Il existe en effet plusieurs transformations qui permettent d’obtenir l’équivalent discret. En effet, soit l’équation d’un contrôleur PID : Cette équation peut être approximée en remplaçant l’intégrale par une règle trapézoïdale et la dérivée par une différence arrière pour obtenir: Rappel & démonstration au tableau … Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

32 Commande des systèmes échantillonnés (XIV) Équivalent discret d’un contrôleur continu
À partir de cette approximation, attardons-nous maintenant à trouver la fonction de transfert pulsée du contrôleur PID. Commençons par trouver la fonction de transfert pulsée de l’approximation trapézoïdale de l’intégrale de l’erreur: On cherche F(z). En soustrayant des deux côtés, on obtient: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

33 Commande des systèmes échantillonnés (XV) Équivalent discret d’un contrôleur continu
Donc, la fonction de transfert pulsée du contrôleur PID: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

34 Commande des systèmes échantillonnés (XVI) Équivalent discret d’un contrôleur continu
Une autre approximation du contrôleur PID se base uniquement sur la différence arrière. En effet, puisqu’en approximant la dérivée par une différence arrière, nous avons approximé « s » par: En utilisant cette approximation pour « s », l’intégrale peut par conséquent être approximée par: Ce qui donne l’approximation par différence arrière du contrôleur PID: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

35 Commande des systèmes échantillonnés (XVII) Équivalent discret d’un contrôleur continu
Une autre approximation du contrôleur PID se base uniquement sur la transformation bilinéaire où l’on approxime l’intégrale par une règle trapézoïdale. En effet; Ce qui donne l’approximation par transformation bilinéaire du contrôleur PID: Cette approximation est habituellement plus précise que celle uniquement par différence arrière… Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

36 Commande des systèmes échantillonnés (XVIII) Réponse invariante à l’échelon
Une dernière façon d’approximer la fonction de transfert d’un contrôleur se base sur une méthode par laquelle on souhaite obtenir la même réponse temporelle à un échelon dans le domaine discret et dans le domaine continu. Plus précisément, soit G(s) une fonction de transfert d’un compensateur et Gd(z) son approximation en discret, on souhaite: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

37 Commande des systèmes échantillonnés (XIX) Réponse invariante à l’échelon
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

38 Commande des systèmes échantillonnés (XIX) Résumé – Fonction de transfert du premier ordre
En résumé: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

39 Commande des systèmes échantillonnés (XX) Réponse basée sur le système de 2ième ordre
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

40 Commande des systèmes échantillonnés (XXI) Réponse basée sur le système de 2ième ordre
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

41 Commande des systèmes échantillonnés (XXII) Réponse basée sur le système de 2ième ordre
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

42 Commande des systèmes échantillonnés (XXIII) Réponse basée sur le système de 2ième ordre
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

43 Commande des systèmes échantillonnés (XXIV) Réponse basée sur le système de 2ième ordre
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

44 Commande des systèmes échantillonnés (XXV) Exemple
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

45 Commande des systèmes échantillonnés (XXVI) Exemple
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

46 Commande des systèmes échantillonnés (XXVII) Exemple
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

47 Commande des systèmes échantillonnés (XXVII) Exemple
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

48 Commande des systèmes échantillonnés (XXVII) Exemple
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

49 Commande des systèmes échantillonnés (XXVIII) Exemple
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

50 Intérêt #1 : Photographie
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

51 Présentation d’intérêts d’étudiants (I) Photographie - Références
[1] A Control System for Superimposed High Speed Photographic Records – F.L. Curzon 1970 [2] Automatically Available Photographer Robot for controlling Composition and taking pictures – Myung-Jin Kim, Tae-Hoon Song, Seung-Hun Jin, Soon-Mook Jung, Gi-Hoon Go, Key-Ho Kwon and Jae-Wook Jeon, 2010. [3] ENTROPY BASED CAMERA CONTROL FOR VISUAL OBJECT TRACKING - Matthias Zobel, Joachim Denzler; Heinrich Niemann – 2002. [4] Exposure Control in a Multi-Stage Photographic System - J. W. Boone 1967. [5] Image-based visual PID control of a micro helicopter using a stationary camera, Kei Watanabe, Yuta Yoshihata, Yasushi Iwatani and Koichi Hashimoto, 2007. [6] Optical Image Stabilizing System using Multirate Fuzzy PID Controller for Mobile Device Camera, Hyung Jin Chang, Pyo Jae Kim, Dong Sung Song, and Jin Young Choi, 2009. Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

52 Présentation d’intérêts d’étudiants (II) Photographie
Application #1 : le robot photographe (tiré de [2]) Utile lors de sinistres ou de situations critiques (e.g. Centrales nucléaires au Japon) a) Plateforme mobile b) Système de vision c) Contrôleur Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

53 Présentation d’intérêts d’étudiants (III) Photographie
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

54 Présentation d’intérêts d’étudiants (IV) Photographie
2ième application (tiré de [6]): Stabilisateur d’image pour caméra digitale portable. Basé sur la lecture de gyroscopes et de capteur d’accélération linéaire, l’algorithme de contrôle évalue les vibrations subies par l’appareil et minimise leur impact en corrigeant la position du capteur photographique (CCD : Charged Coupled Device) à l’aide d’un moteur de type « voice coil ». Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

55 Présentation d’intérêts d’étudiants (V) Photographie
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

56 Présentation d’intérêts d’étudiants (VI) Photographie
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

57 Présentation d’intérêts d’étudiants (VII) Photographie - Résultats
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

58 Présentation d’intérêts d’étudiants (VIII) Photographie - Résultats
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

59 Présentation d’intérêts d’étudiants (IX) Photographie - Résultats
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

60 Intérêt #2 : Aéronautique
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

61 Références [1]Lateral and Longitudinal Guidance and Control Design of a UAV in Auto Landing Phase– Muhammad Ilyas Salfi , Umair Ahsun and Haider Ali Bhatti, 2009. [2] Research and Applications of Immune PID Adaptive Controller in Anti-skid Braking System for Aircraft – Haibin Song, Bin Fang, Pu Wang, 2009. [3] NASA - Control of a Human-Powered Helicopter in Hover– Joseph J. Totah and William Patterson, 1988 [4] Autonomous Path Tracking and Disturbance Force Rejection of UAV Using Fuzzy Based Auto-Tuning PID Controller – Theerasak Sangyam, Pined Laohapiengsak, Wonlop Chongcharoen, and Itthisek Nilkhamhang, 2007. [5] Design and Simulation of the Longitudinal Autopilot of UAV Based on Self-Adaptive Fuzzy PID Control, Yang Shengyi, Li Kunqin, Shi Jiao, 2009. Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

62 2ième application (I) Système anti-dérapage (tiré de [2])
Des systèmes anti-dérapage équipent aujourd’hui la plupart des avions de lignes modernes. Ceux-ci revêtent une importance primordiale lors du décollage et surtout lors de l’atterrissage: Analyse des forces affectant une roue Analyse des forces de l’avion lorsque celui-ci se meut à l’aide de ses roues (tiré de [2]) Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

63 2ième application (II) Système anti-dérapage (tiré de [2])
Coefficient de glissement dépendamment de la condition du tarmac: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

64 2ième application (III) Système anti-dérapage (tiré de [2])
Architecture du système de contrôle: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

65 2ième application (IV) Système anti-dérapage (tiré de [2])
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

66 2ième application (V) Système anti-dérapage (tiré de [2])
Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

67 2ième application (VI): Suivi de trajectoire et rejet des perturbations pour un UAV (tiré de [4])
Qu’est-ce qu’un UAV? UAV = « Unmaned Air Vehicle ». Ici, il s’agira d’un hélicoptère téléguidé à quatre rotors modélisé de cette façon: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

68 2ième application (VII): Suivi de trajectoire et rejet des perturbations pour un UAV (tiré de [4])
Le UAV a ici quatre rotors (actuateurs) et 6 variables d’états qui décrivent complètement la dynamique du véhicule: Le but de la recherche est de comparer la performance d’un contrôleur PID classique VS un contrôleur PID à gains ajustables pour commander le système de manière à ce qu’il soit apte a suivre un ensemble d’états désirés. Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

69 2ième application (VIII): Suivi de trajectoire et rejet des perturbations pour un UAV (tiré de [4])
Contrôleur PID classique: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

70 2ième application (IX): Suivi de trajectoire et rejet des perturbations pour un UAV (tiré de [4])
Contrôleur PID à gains ajustables: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

71 2ième application (X): Suivi de trajectoire et rejet des perturbations pour un UAV (tiré de [4])
Résultats: Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

72 2ième application (XI): Suivi de trajectoire et rejet des perturbations pour un UAV (tiré de [4])
Résultats (suite): Jean-Philippe Roberge - Mars 2011

73 Références [1]Modern Control Systems – Richard C. Dorf & Robert H. Bishop [2]Control Systems Engineering – Norman S. Nise [3]Notes de cours (ELE3202) – Richard Gourdeau & John Thistle [4]Linear System Theory – Wilson J. Rugh [5] R.C. Dorf and A. Kusiak, Handbook of Manufacturing and Automation, John Wiley & Sons, New York, 1994. [6] Jean-Philippe Roberge, Étude et commande d’un système mécanique avec liens flexible, 2009. [7]Pascal Bigras, Asservissement numérique en temps réel, notes de cours, cours # [8] Groupe de Recherche en Informatique, Image, Automatique et Instrumentation de Caen : Jean-Philippe Roberge - Mars 2011