82017248 Commande Par Mode Glissant Multimodele Application Sur Un Sous Marin

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Laboratoire dEtude et Commande Automatique de Processus (LECAP) Mmoire de Mastre Prsent par Ahmed RHIF Pour lobtention du Diplme de Mastre En Automatique et Traitement de Signal Commande dune approche mode glissant multimodle Soutenance le 30 Octobre 2008 Jury compos de : Prsident : Mr. Dhaou Soudani Examinateur: Mr. Ben Hadj Braiek Naceur Examinateur: Mme. Kardous Zohra 37 --'-' 1002 -,- B.P.37 le Belvdre 1002 Tunis Tunisie Fax : 216 71872729 : '-'Tl. :216 71874700 : --'+'Anne universitaire 2007 - 2008Rf : Mastre/ATS Universit de Tunis El Manar Email : [email protected] : --'` -,-'2 Rapport de MmoireMastre ATS Avant Avant Avant Avant- -- -propos propos propos propos Le travail prsent dans ce mmoire a t ralis au sein du L LL Laboratoire dE EE Etude et de C CC Commande A AA Automatique de P PP Processus (LECAP) de lEcole Polytechnique de Tunisie dirig par Monsieur le Professeur Naceur BENHADJ BRAIEK. Naceur BENHADJ BRAIEK. Naceur BENHADJ BRAIEK. Naceur BENHADJ BRAIEK. Je tiens en tout premier lieu tmoigner ma plus profonde gratitude Monsieur leDhaouSOUDANI,MatredeConfrenceslEcoleNationaledingnieursde Tunis, pour lhonneur quil ma fait en acceptant de prsider mon jury de mastre. JevoudraisaussiexprimertoutemareconnaissanceMonsieurleprofesseur Naceur BENHADJ BRAIEK Naceur BENHADJ BRAIEK Naceur BENHADJ BRAIEK Naceur BENHADJ BRAIEK Directeur du LECAP pour mavoir accueilli et donn lopportunit de prparer ce mastre sous sa direction au sein de son quipe ainsi que pour son suivipermanent de ce travail. JetiensremerciervivementMadameZohraKARDOUS ZohraKARDOUS ZohraKARDOUS ZohraKARDOUS,MatreAssistante lEcoleNationaledIngnieursdeTunis,pourlencadrementquellemaassur, ainsiquepourlesoutienetlaidequellemagnreusementgratifistoutau long de ce travail et des travaux antrieurs. Jenoubliepasnonplusdeprsentermesrespectueuxsentimentsmafamille qui ma beaucoup soutenu au cours de toutes ces preuves. Jevoudraisgalementremercieretsaluertousmescollguesetamisquinont cess de maider et contribuer de prs ou de loin llaboration de ce travail. 3 Rapport de MmoireMastre ATS Sommaire Introduction gnrale......1 Chapitre 1 Sur la commande par Mode Glissant Introduction.....3 1Dfinitions.....3 2 Condition dexistence du mode glissant....4 3Diffrentes structures de la thorie du contrle par mode de glissement.......5 3.1 Structure par commutation au niveau de l'organe de commande............5 3.2 Structure par commutation au niveau d'une contre raction d'tat..........6 3.3Structureparcommutationauniveaudel'organedecommande,avecajoutdela commande quivalente....6 4Synthse dune commande par mode glissant....7 5Application du mode glissant......9 5.1 Exemple 1 : Moteur lectrique........10 5.2 Exemple 2 : Robot Mobile..........11 6Phnomne de broutement .....13 Conclusion14 Chapitre 2 Sur la commande multimodle Introduction..16 1Modlisation multimodle..17 Mthodes directes ou modles locaux....191.2Mthodes indirectes ou modles gnriques.......21 2Structure des commandes multimodles.........22 2.1 Commutation....23 2.2 Fusion...24 3Formulations des validits....24 3.1 Classification des validits..25 3.2Calcul des validits..30 Conclusion32 4 Rapport de MmoireMastre ATS Chapitre 3Commande par mode glissant multimodle : Application des processus physiquesIntroduction...33 1Formulation de lapproche par mode glissant multimodle............33 2Application un moteur lectrique.........35 Modlisation du systme.............35 2.2 Implantation du systme sur MATLAB........38 3Application un modle physique : SOUS-MARIN........41 3.1Modle dynamique..42 3.2 Rponse du mobile un chelon......42 3.3 Rponse du mobile un PID.....44 3.4 Lapplication du Mode Glissant........46 3.5 Commande par Mode Glissant Multimodle........49 Conclusion ...52 Conclusion gnrale..54 Bibliographie.....56 Annexe..60 5 Rapport de MmoireMastre ATS Liste des figures Figure 1.1 Mode de glissement.......4Figure 1.2 Structure de rgulation par commutation au niveau de l'organe de commande5 Figure 1.3 Structure de rgulation par commutation au niveau de la contre raction d'tat..6Figure 1.4 Structure de rgulation par ajout de la commande quivalente..7Figure 1.5 Evolution du mode glissant..8 Figure 1.6 schma bloc du systme MCC10Figure 1.7 Rponse du systme avec Commande par PID11 Figure 1.8 Rponse du systme avec une commande parMode glissant11 Figure 1.9 Robot mobile12 Figure 1.10 La trajectoire parcourue par le mobile suite lapplication dun PID...13 Figure 1.11 La trajectoire parcourue par le mobile suite lapplication du mode glissant...13 Figure 1.12 Evolution du mode Glissant.14Figure 1.13 Phnomne de chattering.14 Figure 2.1 Structure dun systme multimodle.18 Figure 2.2 Structure dune commande multimodle.22 Figure 2.3 Principe de commutation23 Figure 2.4 Principe de la Fusion..24 Figure 2.5 Gnration des validits par lapproche floue..26 Figure 2.6 Distance gomtrique 1...27 Figure 2.7 Distance gomtrique 2...28 Figure 3.1 Structure de la boucle dasservissement avec la commande mode glissant multimodle35 Figure 3.2 Schma dun moteur courant continu36 Figure 3.3 Schma Bloc dun Moteur courant continu...37 Figure 3.4 Schma bloc MCC Simple..39 Figure 3.5 Rponse du systme en boucle ouverte.39 Figure 3.6 Rponse du systme command par PID..40 Figure3.7 Rponses du systme command par mode glissant et mode glissant multimodle..40 Figure 3.8 Schma reprsentatif dun sous-marin.41 6 Rapport de MmoireMastre ATS Figure 3.9 Systme en boucle ferme...43 Figure 3.10 Rponse du systme en rgime libre suite une excitation chelon.43 Figure 3.11 Lerreur du systme en rgime libre suite une excitation chelon44 Figure 3.12 Implantation dun PID sur MATLAB Simulink45 Figure 3.13 Rponse du systme muni dun PID45 Figure 3.14 Commande du systme muni dun PID..46 Figure 3.15 Implantation du Mode Glissant sur MATLAB Simulink.46 Figure 3.16 Structure du systme en boucle ferme : subsystem247 Figure 3.17 Rponse du systme suite lapplication du mode glissant..48 Figure 3.18 La commande du systme suite lapplication du mode glissant48 Figure 3.19 Limplantation de la mthode compose sur MATLAB Simulink...49 Figure 3.20 Calcul des validits en ligne.50 Figure 3.21 Rponses du systme avec validits non renforces...50 Figure 3.22 Rponses du systme avec validit renforce type1...51 Figure 3.23 Rponses du systme avec validit renforce type2...51 Figure 3.24 Erreur du systme suite lapplication de la mthode compose52 7 Rapport de MmoireMastre ATS Introduction gnrale Lesautomaticienssetrouventtoujoursconfrontsdesproblmesdecommandede plus en plus complexes vu la complexit des modles reprsentant les systmes non linaires. En gnral, la synthse de commande des systmes repose sur plusieurs approches diffrentes. Lesmthodeslesplusfrquentessontlutilisationdescommandesclassiques(Exemplesles PIDetlesrgulateursRST),ainsiquelapplicationdesdiffrentesapprochescomme lapproche par mode glissant et lapproche multimodle. La commande par mode glissant a largement prouv son efficacit travers les tudes thoriques rapportes, ces principaux domaines dapplication sont la robotique [OUIGUININI etal,03],[DEFOORT,06],[SALGADOetal,03],[VADIM,02],[CREUZE,03],etles moteurs lectriques [EKER, 05], [SELLAMI et al, 02].Lavantage que procure une telle commande et qui la rend aussi importante est sa robustesse visvisdesperturbationsetdesincertitudesdumodle.Cependant,cesperformancessont obtenues au prix de certains inconvnients. En effet, pour assurer laconvergence du systmevers ltat dsir, un niveau assez lev de commande est souvent sollicit. Dautrepart,lapartiediscontinuedelacommandeengendreengnralunphnomnede broutement (chattering) qui peut tre nfaste sur les actionneurs. Parmi les solutions proposes ces problmes on peut citer la commande par mode glissant bande limite [OUIGUINI et al, 03], [EKER, 05]. Cette solution consiste remplacer la partie discontinue de la commande par mode glissant par une fonction de saturation. La commande floue peut aussi apporter une solution grce sa robustesse. Danscesens,lapprochemultimodlereprsenteunealternativeintressante.Cette dernireconstitueunoutilpuissantpourlidentification,lacommandeetlanalysedes systmes complexes. 8 Rapport de MmoireMastre ATS Le principe de la reprsentation multimodle offre la possibilit de concevoir des commandes nonlinairespartirdescommandeslinairesassocieschaquemodle.Lacommande globalepeutalorsentredduiteparunefusionbienapproprieselonlapprocheadopte. Cest ce niveau quapparaissent les diffrences entre les approches multimodles existantes [KARDOUS, 04]. Dans ces travaux de recherches, nous allons essayer de combiner lapproche par mode glissantetlapprochemultimodle,pourtrouverunesolutionauphnomnedebroutement qui apparat dans le cas dappliquer uniquement une commande par mode glissant. Pour cela, notre ide est dexploiter la fusion multimodle pour minimiser la discontinuit au niveau de la commande par mode glissant do la minimisation du phnomne de broutement. Dansunautresens,cettecombinaisonatexploitedanscertainstravauxantrieurs.En effet, dans [Poznyak et al, 03] la commutation laide de la surface de glissement a remplace la commutation multimodle pour la commande de systme linaire paramtre variants. Les tapes labores pour rpondre notre sujet sont prsentes dans trois chapitres : Le premier chapitre sintresse la prsentation de lapproche par modeglissant tout en voquant ses domaines dapplication, sa condition dexistence et la dmarche de synthse dune commande utilisant cette approche. La dernire partie de ce chapitre est consacre un exemple dapplication.Le deuxime chapitre aborde lapplication de lapproche multimodle. Il expose ainsi les diffrentes structures multimodles et les diffrentes mthodes de synthse de commande multimodle. La deuxime partie de ce chapitre est consacre la prsentation de diffrentes mthodes de calcul des validits. Letroisimeetdernierchapitreprsentelacombinaisonentrelesdeuxapproches : mode glissant et multimodle. Ce chapitre dbute par la formulation de lapproche par mode glissantmultimodle.Ensuite,vientlillustrationdelapportdecetteapprochetraversson applicationsurdeuxexemplesphysiques,savoirunmoteurlectriqueetunmobilesous-marin.9 Rapport de MmoireMastre ATS Chapitre 1 Sur la commande par Mode Glissant Introduction Cechapitreestddiltudedelapprocheparmodeglissant.Audbutnousallons commencer par prsenter des gnralits sur le mode glissant, les conditions de son existence. Ensuitenousallonsdtaillerladmarchedesynthsedunecommandeparmodeglissantet indiquer son domaine dapplication. Enfin, nous mettrons le point sur les problmes majeurs induits par les commandes par mode glissant. 2DfinitionsVue que lapproche par mode glissant prsente un vocabulaire particulier, nous commenons parexposerquelquesdfinitionsutilestraitesdans[Arzelieretal,00].Lesdfinitions concernent : la fonction de commutation, lhyperplan de commutation, le rgime glissant et la surface de glissement Dfinition 1 : fonction de commutation La structure de commande est caractrise par le signe dune fonction vectorielle S(x) appele fonctiondecommutation.Danslecasdemodleslinaires,lafonctiondecommutationest choisie comme une fonction linaire de ltat: mxn TmTmR c c c CCx x s x s x s x S == =] ... [)] ( )... ( ) ( [ ) (2 12 1(1.1) avec icest un vecteur ligne Chaque fonction scalaire de commutation js (x) dcrit une surface linaire js (x)=0. Dfinition 2 : hyperplan de commutation 10 Rapport de MmoireMastre ATS La surface de commutation est associeau systme decommande structure variable dfini prcdemment : } { m j x s R x Sjnj,....., 1 , 0 ) ( : = = =(1.2) Dfinition 3 : rgime glissant Si, pour tout vecteur dtat initial x (0t ) S, la trajectoire dtat reste dans lhypersurface S, x(t) St> 0talors x(t) est un rgime glissant pour le systme. Dfinition 4 : surface de glissement Si tout point de S est dfinit tel quil existe des trajectoires dtat hors de S, alors le contenant de la surface de commutation S est appel surface de glissement. 2 Condition dexistence du mode glissant Lemodedeglissementexistelorsquelescommutationsontlieudunefaoncontinueentre lesdeuxgrandeursumaxetumin[KECHICH,07].Pourunsystmedesecondordreavecles grandeursdtatx1 setx2 scephnomneestdmontrlaidedelaFigure1.1o max xS,min xS ,umaxet uminreprsententrespectivementlessurfacesdeglissementetlescommandes maximale et minimale du systme. Figure 1.1 Mode de glissement11 Rapport de MmoireMastre ATS Pourassurerunebonnecommutation,onchoisitunecommandedetyperelais,A u = ,on obtient le rsultat souhait pour A suffisamment grand [KSOURI, 99]. 3Diffrentes structures de la thorie du contrle par mode de glissement Dans les systmes structure variable utilisant la commande par mode de glissement, on peut trouvertroisconjurationsdebasepourlasynthsedesdiffrentescommandes[ETIENNE, 04]. La premire correspond la structure la plus simple ou la commutation a lieu au niveau de l'organe de commande lui mme. La deuxime structure fait intervenir la commutation au niveaud'unecontreractiond'tat.Etenfin,ladernirestructureestunestructurepar commutation au niveau de l'organe de commande avec ajout de la "commande quivalente". 3.1 Structure par commutation au niveau de l'organe de commande Le schma d'une structure par commutation au niveau de l'organe de commande est donn par la figure 1.2. Cette structure de commande est la plus classique et la plus utilise. Figure 1.2 Structure de rgulation par commutation au niveau de l'organe de commande Cettergulation,quicorrespondaufonctionnementtoutouriendesinterrupteursde puissance,estappliqueengnralpourlesvariateursdevitesse.Elleatutilisepourla commande des moteurs pas pas. 12 Rapport de MmoireMastre ATS 3.2 Structure par commutation au niveau d'une contre raction d'tat Le principe dune telle commande est illustr dans la figure 1.3.K1etK2reprsententlesgainsdecommutation,Uilacommandedusystmepourchaque gain et Si la surface de commutation, i= 1, 2. D'aprslestudesmenesprcdemmentdans[ETIENNE,04],c'estlastructurelamoins exigeanteauniveaudelasollicitationdelacommande.Elleatmiseenuvredansla commandedemoteurscourantcontinuetaimantspermanents,ainsiquedansla commandedesmachinesinduction.Cettestructures'appuiesurlacommandeparcontre raction d'tat classique. Puisque la non linarit provient de la commutation entre les gains, donc on cre une commutation au niveau de la dynamique du systme. Figure 1.3 Structure de rgulation par commutation au niveau de la contre raction d'tat 3.3 Structure par commutation au niveau de l'organe de commande, avec ajout de la commande quivalente Une telle structure dont le principe est montr sur la figure 1.4, prsente un rel avantage. Elle permet de repositionner l'tat futur du systme grce la commande quivalente Ueq qui n'est rien d'autre que la valeur dsire du systme en rgime permanent. L'organe de commande est beaucoup moins sollicit, mais on est plus dpendant des variations paramtriques du fait de l'expression de cette commande quivalente. 13 Rapport de MmoireMastre ATS Figure 1.4 Structure de rgulation par ajout de la commande quivalente Lajoutdelacommandequivalentepermetderepositionnerlesystmedansuntatdsir, permanentetstable.Ilnerestealorsquedejouerensuitesurletermedecommutationpour assurer la convergence vers cet tat et pour y rester. 4Synthse dune commande par mode glissant Danscettepartie,nousallonsdtaillerlestapesdelarsolutiondunproblmeparmode glissant et prsenter les quations mathmatiques ncessaires. Considrons un systme non linaire : x) h(t, g(x)uf(x).+ + = x(1.3) x reprsente la variable dtat, f(x) et g(x) deux fonctions non linaires de ltat et h(t,x) une fonction reprsentant la perturbation. La perturbation est borne par une fonction scalaire connue : ) , ( ) , ( x t x t h (1.4) Pour avoir une commande par mode glissant, il faut dterminer une surface s = s(x, t) = 0 et synthtiseruneloidecommandediscontinuedemanirecontraindrelestrajectoiresdu systme atteindre. Cette surface et rester par la suite, figure 1.5. 14 Rapport de MmoireMastre ATS Figure 1.5 Evolution du mode glissant La loi de commande se dcompose en deux parties : 1 0u u u + = (1.5) 0ula commande nominale 1ula commande discontinue permettant de rejeter les perturbations La commande quivalente de 1u(noteequ1), caractrisant la dynamique du systme en mode glissant, doit satisfaire la condition suivante : h u x geq =1) ( (1.6) Commande nominale La commande nominale 0u (x) est construite de manire ce que le systme non perturb soit globalement asymptotiquement stable (Annexe). Le systme boucl nominal scrit : 0 0 0.) ( ) ( u x g x f x + =(1.7) 0xest la trajectoire du systme muni de la commande 0u La commande discontinue15 Rapport de MmoireMastre ATS Lacommandediscontinue 1u estdfiniepourassurerlemodeglissantlelongdelasurface glissante via la fonction discontinue suivante : ) M(x)sign(s -1 = u(1.8) M(x) fonction linaire. Ainsi, la dynamique du systme en mode glissant est ) ( ) ( ) (0.x u x g x f x + =(1.9) Elle est exactement la mme que pour le systme nominal [Defoort, 06]. Construction de la variable glissante La variable glissante s se compose de deux parties :z s s + =0 (1.10) 0s: est une combinaison linaire de ltat z : induit lappellation intgrale et fournit un degr de libert supplmentaire dans la construction de la surface de glissement. Z est calcul de telle sorte que 1urejette la perturbation h ds linstant initial. 0 )) . ( ) ( ) ( ) ( ) ( (.1 00.0. .= + + + += + = z x t h u x g x u x g x fxsz s s (1.11) Pour tre sur la surface glissante ) 0 ( 0 = t s , on doit satisfaire : )) ( ) ( ) ( (00.x u x g x fxsz + = (1.12) )) 0 ( ( ) 0 (0x s z =(1.13) 5Application du mode glissant Lacommandeparmodeglissant[OUIGUINIetal,03]alargementprouvsonefficacit traverslestudesthoriquesrapportes.Sesprincipauxdomainesdapplicationsontla robotique[OUIGUINIetal,03],[Defoort,06],[SALGADOetal,02],[VADIM,02]etles moteurs lectriques [EKER, 05], [SELLAMI et al, 02].Danslasuitenousallonsconsidrerdeuxexemplesillustratifspourcomparerleffetdela commande par mode glissant celui de la commande par PID. 5.1Exemple 1 : Moteur lectrique 16 Rapport de MmoireMastre ATS Considronslecasdunmoteurlectrique,figure1.6,dfiniparlafonctiondetransfert suivante : ) 1 )( 1 () (Ts s Tks Gd+ +(1.14) K reprsente le gain du systme, T la constante du temps, Td la constante du temps dsire et s oprateur de Laplace [EKER, 05]. Figure 1.6 schma bloc du systme MCC Les rsultats de simulation (fig 1.7 et fig 1.8) confirment que la commande par mode glissant estbeaucoupplusperformantequecelleparPID.Onpeutremarquerquelarponsedu systme suite une commande par mode glissant est plus rapide et plus stable que sa rponse suiteunecommandeparPID.Cettedernireprsenteundpassementavantdatteindrele rgime permanent. 17 Rapport de MmoireMastre ATS Figure 1.7 Rponse du systme avec Commande par PID Figure 1.8 Rponse du systme avec une commande parMode glissant 5.2Exemple 2 : Robot mobile Dans cet exemple nous allons prsenter un robot mobile en cas de poursuite dune trajectoire donne. Soit le systme suivant (fig 1.9) : 18 Rapport de MmoireMastre ATS Figure 1.9 Robot mobile Ce systme est dcrit par les quations suivantes : + = = = = = =) (2sin ) (2sincos ) (2cos. . .. . .. . .LR c cc LRc c cc LRc ccbrrv yrv x (1.15) avec : r, rayon des roues b, distance entre chaque roue et laxe de symtrie RetL , position angulaire de chaque roue. c, angle dinclinaison. Les rsultats de poursuite obtenus sont reprsents par les figures (1.7 et 1.8) [OUIGUINI et al, 03]. 19 Rapport de MmoireMastre ATS Figure 1.10 La trajectoire parcourue par le mobile suite lapplication dun PID Figure 1.11 La trajectoire parcourue par le mobile suite lapplication du mode glissant 6Phnomne de broutementVuequelemodeglissant(fig1.12)ncessiteunefrquencedecommutationassezgrande, cette approche est souvent qualifie didale [Arzelier et al, 00]. 20 Rapport de MmoireMastre ATS De ce fait, pour tout systme de commande qui comprend des imperfections telles que retard, hystrsis, qui imposent une frquence de commutation finie, la trajectoire dtat oscille alors dansunvoisinagedelasurfacedeglissement.Unphnomneappelchatteringou broutement apparat (fig 1.13). Figure 1.12 Evolution du mode GlissantFigure 1.13 Phnomne de chattering ConclusionLapplication du mode glissant a prouv son efficacit pour la synthse dune commande qui assurelebonfonctionnementdusystme.Nanmoins,lemodeglissantprsentedes avantages et des inconvnients. Dunepart,lemodeglissantestpeusensibleauxperturbationscequioffredescommandes robustes. Dautre part, il peut dans certains cas diminuer lordre du systme ce qui rduit la complexit de la synthse de la commande et ltude de la stabilit. En revanche, lapplication de lapproche par mode glissant induit lapparition du phnomne de broutement sous forme des oscillations au niveau de la sortie du systme. Ce phnomne, a fait lobjet de plusieurs tudes et recherches. Pour pouvoir liminer ou diminuer son effet, les chercheurs ont propos plusieurs solutions. On peut en citer la commande par mode glissant bande limite qui consiste remplacer la fonction de commutation dans la commande par une fonctiondesaturationetlacommandeparmodeglissantflouquiconsisteremplacerla partie discontinue de la commande par une commande floue conue partir du plan de phase de lerreur et de sa drive [OUIGUINI et al, 03]. 21 Rapport de MmoireMastre ATS La discontinuit au niveau de la commande est lorigine de problme de broutement. De ce fait, ont doit trouver une approche qui peut transformer cette discontinuit en une commande lisse.Danscecas,lapprochemultimodlepeutintervenirparsonprincipedefusionde commandes partielles. 22 Rapport de MmoireMastre ATS Chapitre 2 Lapproche multimodle Introduction Lapprochemultimodlereprsenteunealternativeintressanteetunoutilpuissantdans lidentification,lacommandeetlanalysedessystmescomplexes.Lacommande multimodlelaquellenousallonsnousintresserreposesurleprincipedefusionde commandes partielles.Lidedelapprochemultimodleestdapprhenderlecomportementnonlinairedun systmeparunensembledemodleslinairescaractrisantlefonctionnementdusystme dansdiffrenteszonesdefonctionnement.Dautrepart,lapprochemultimodlepeuttre utilisepourlasynthsedesrgulateurs[PIGUET,97].Lamotivationdecetteapproche dcoule du fait quil est souvent difficile de concevoir un modle qui tient compte de toute la complexit du systme tudi.Audbut,certainschercheursontessaydereprsenterdessystmesnonlinairespardes modles linaires par morceaux.Il en rsulte uneapproximation discontinue du systme due aux commutations entre les diffrents modles linaires [Rodrigues, 05], [AKHENAK, 04]. Ces dernires peuvent tre gnantes dans la majorit des applications industrielles.Pour remdier ce problme, il est prfrable dassurer un passage progressif dun modle unautre.Onsubstituelesfonctionsdecommutationpardespentesdouces,cequicreun chevauchement entre les zones de validit des modles. Dans ce cas, les fonctions de commutation deviennent des fonctions drives continues dont la pente dtermine la vitesse de passage dun modle un autre [ZOUARI, 07], [KARDOUS, 04]. 23 Rapport de MmoireMastre ATS Danscechapitre,nousallonsprsenterlapprochemultimodle.Demanireavoirle ncessairepourpouvoirimplanterunecommandemultimodlesavoirlamodlisation,les structures de commande et la dfinition des validits. 4Modlisation multimodle Selonlinformationdisponiblesurlesystmetudi,troisdiffrentesmthodespeuventtre utilisespourlobtentiondunebasemultimodle.Silonnedisposequedesmesuresdes entres et des sorties du systme, on procde par identification en cherchant ou en imposant la structure du multimodle. Si, en revanche, on dispose dun modle non linaire explicite que lonsouhaite"simplifier"ourendreplusmanipulableonpourraprocderpartransformation polytopique convexe ou par linarisation autour de diffrents points de fonctionnement (dans cecas,ilsagitdesmodleslocauxaffinesdulaprsencedelaconstanteprovenantdela linarisation) [KARDOUS, 04], [AKHENAK, 04]. Considrantunsystmestatiquenonlinaire(2.1),pourlequelnouscherchonsdterminer une reprsentation multimodle permettant de dcrire son comportement. y (t) = F (x (t))(2.1) SupposonsquondisposedunensembledeNmodleslocauxfi(x(t)),i=1,,N.Lesquels dcriventlecomportementdusystmedansdiffrenteszonesdefonctionnement.Ces modlespeuventtreconstruitsparexemplepartirdesconnaissancesphysiquessurle fonctionnement du systme dans ces zones.Lexpressiongnraledunestructuremultimodle[KARDOUS,04],[ZOUARI,07], [AKHENAK, 04] : )) ( ( )) ( ( ) (1t x f t x v t yNii i m ==(2.2) Pourlessystmescomplexes,lesapprochesmultimodlesproposentdesschmasayantune structure gnrale bien dtermine (fig 2.1) [KARDOUS, 04]. 24 Rapport de MmoireMastre ATS Lastructuresecomposeengnraldunebibliothquedemodles,dunmcanismede dcision et dun superviseur. La bibliothque secompose de modlesMi, i = 1,,n , qui peuvent tre de mme ordre ou dordre plus faible que le modle non linaire, de mme structure ou de structures diffrentes. Chaque modle, reprsente le systme dans des circonstances bien dtermines. De ce fait, on fait appel au mcanisme de dcision l o on aura le calcule des validit pour chaque modle. Enfin, le superviseur pour rle de fusionner ces informations et choisir la stratgie adquate (commutation ou fusion). Figure 2.1 Structure dun systme multimodle Chaquemodlenepeuttrevalidequedansunmodedefonctionnementparticulierdu systme.Parconsquent,danslecasidal,lesmodlessontcomplmentaires;c'est--dire que chaque modle nereprsente quune zoneparticulire de lespace defonctionnement du systme considr [ZOUARI, 07]. 1.1Mthodes directes ou modles locaux

Un modle local est un modle qui dcrit les caractristiques du processus au voisinage dun pointdefonctionnement.Sileprocessusestdcritparunmodlecomplexeinexploitable,il estenvisageablededfinirunensembledemodleslocauxparlinarisationdumodle Bibliothque de modlesMcanisme de dcisionSuperviseur y n i ......Uyiyn Sortie du modle global Processus my25 Rapport de MmoireMastre ATS complexeauvoisinagedecertainspointsdefonctionnement.Siaucunmodlenest disponible, alors on procde par identification en considrant chaque fois un sous ensemble dedonnescorrespondantunpointdefonctionnementparticulier[KARDOUS,04]. Cependant, le modle reste confront la dtermination de lespace de fonctionnement et sa compositionenzonesdefonctionnement.Mais,cesmthodesnepeuventrien,face laugmentation du nombre de modles locaux lorsque le processus prsente plusieurs rgimes defonctionnement[ZOUARI,07].Aussi,silonajouteuneautrelimitationquipeutse prsenter lors dune insuffisance de donnes pour pouvoir dterminer les modles locaux, on estamenlutilisationdunemthodeindirecteappeleaussimthodegnriquequi ncessite moins dinformations sur le systme tudi. 1.1.1 Recherche des modles locaux par linarisation Dans ce cas, on dispose de la forme analytique du modle non linaire du processus physique quonlinariseautourdediffrentspointsdefonctionnementjudicieusementchoisis [AKHENAK, 04]. Considrons le systme non linaire suivant : ==) ( ), ( ( ) () ( ), ( ( ) (.t u t x G t yt u t x F t x(2.3) oFetGsontdesfonctionsnonlinairescontinues,x(t)estlevecteurdtatetu(t)estle vecteur dentre. Le systme (2.3) peut tre dfini par une reprsentation multimodle faisant intervenirunnombredemodleslinairelocaux.Cesdernierssontobtenusparla linarisation du modle non linaire autour de diffrents points de fonctionnement. On considre N points de fonctionnement) , (i iy x; i=1,,N. Un modle iMpeut dfinir une approximation de la fonction non linaire par un plan tangent aupoint) , (i iy x;cequicorrespondaupremiertermededveloppementdeTaylordu systme (2.3) [AKHENAK, 04].Ainsi la formulation multimodle du systme non linaire est comme suit : 26 Rapport de MmoireMastre ATS + + =+ + ===) ) ( ) ( ))( ( ( ) () ) ( ) ( ))( ( ( ) (11.i iNim i i mi iNim i imF t u D t x C t x v t yE t u B t x A t x v t x(2.4) 1.1.2 Recherche des modles locaux par identification Lidentificationdunsystmeentempsrelounonestunetapeessentielledenimporte quelleconceptiondesystmedecommandeoudediagnostic.Lidentificationdessystmes linairesattudiedepuisdetrsnombreusesannes.Cependant,dansbeaucoupde situationspratiques,lhypothsedelinaritnepeutpastrevrifieetsavreinapproprie en raison de lexistence dlments non linaires et/ou variants dans le temps.Cesderniresannes,ledveloppementdenouvellesmthodologiesdecommandedansle domainedelintelligenceartificiellecommelesrseauxdeneuronesetlathoriedela logique floue, ont fourni des outils alternatifs pour aborder le problme de lidentification des systmesnonlinaires.Enparticulier,depuislintroductiondelanotiondelogiquefloue, beaucoup de chercheurs ont montr lintrt de cette thorie pour lidentification des systmes reprsents par des multimodles. Enreprsentantunsystmenonlinairesousformemultimodle,leproblmede lidentification de systmes non linaires est rduit lidentification des sous-systmes dfinis pardesmodleslocauxlinaires.Lesmthodesdestimationbasessurlesmoindrescarrs sont alors utilises pour identifier les paramtres du multimodle (modles locaux) et ceux des fonctionsdactivation.Cependant,cettemthodeexigelaconnaissancedesdonnesentres-sorties du systme non linaire autour de diffrents points de fonctionnement afin de pouvoir caractriser les modles locaux [AKHENAK, 04], [KARDOUS, 04]. 1.2Mthodes indirectes ou modles gnriques Ilsagitdunemthodeindirectequipermetdedterminerdesmodlesextrmesnon localiss en se basant sur lapproche algbrique de Kharitonov [KARDOUS, 04], donc elle ne prsente ni des points de fonctionnement ni des domaines de validit prdtermins. Ainsi la squence de commutation entre les diffrents modles est inconnue, ce qui amne construire unmcanismededcisionpermettantdestimerlesvaliditsdesmodlesenligneavec 27 Rapport de MmoireMastre ATS lvolutionduprocessus[ZOUARI,07].Considronslecasdeprocessustempscontinu, dont lvolution est dcrite par une quation diffrentielle de la forme : ) 1 (1) 1 (1 0) ( ) 1 (1) 1 (1 0(.) ... (.) (.) (.) ... (.) (.)+ + + = + + + +nnn nnu u u y y y y (2.5) Lesymbole(.)reprsentelensembledesvariables,desincertitudes,desbruitsoudes perturbations affectant les coefficients du processus. Les paramtres iet i , i = 1,,n-1 sont supposs dfinis seulement par leurs intervalles de localisation : [ ] , (.)i i et [ ]i i i , (.) , i=0,1,,n-1 (2.6) avec) ( maxiii = et ) ( miniii =(2.7) Lamthodeconsisteconsidrerlesquatremodlesextrmesdfinisparlesfonctionsde transfert suivantes [Kharitonov,78]. ......) (33221 03322101+ + + ++ + + +=s s ss s ss F (2.8) ......) (33221 03322 1 02+ + + ++ + + +=s s ss s ss F (2.9) ......) (33221033221 03+ + + ++ + + +=s s ss s ss F (2.10) ......) (3322 1 03322 104+ + + ++ + + +=s s ss s ss F (2.11) 2Structure des commandes multimodles 28 Rapport de MmoireMastre ATS Ladoptionduneapprochemultimodlepourlamodlisationdesprocessusmne naturellement la conception de commandes multimodles. La commande globale est dduite partir des commandespartielles iui=1,,n relatives respectivement au modle Mi tout en tenant compte des degr de pertinence de ces derniers [KARDOUS et al, 04]. Ceci se traduit parlesconsidrationsdecoefficientdepondrationsappelesvalidits.Silondisposedu vecteurdevaliditvidechaquemodledelabase,selonlexpressiondesvaliditsdeux techniques sontenvisageables savoir la commutation ou la fusion. Figure 2.2 Structure dune commande multimodle 2.1 Commutation Lastratgiedecommandeparcommutationconsisteconcevoirpourchaquemodledela bibliothque une commande ui. La commande globale sera gale chaque instant lune des commandesenparticulierlacommandedumodlequireprsentemieuxlesystme [KARDOUS, 04]. Dans ce cas, les validits sont de type binaire. La validit du modle correspondant vaut 1 et les autres sont nulles. u(t)= ui(t) , vi (t) = 1 (2.12) CommandesModlesM MSuperviseur ProcessusMcanisme de dcisionnu u ...1 nu u ...1 u y n i ...iy29 Rapport de MmoireMastre ATS Figure 2.3 Principe de commutation Cette mthode est facile manipuler puisqu elle utilise des commandes simples linaires. Par contre,elleprsenteaussiquelquesdfaillances.Lemodleglobalestreprsentchaque instant par un modle local qui ne peut en aucun cas tre identique au systme. Deplus,lacommutationimpliqueunediscontinuitquiagitngativementsurlastabilitdu systme. 2.2Fusion Contrairementlacommutation,leprincipedelafusionreposesurlaparticipationdes diffrents modles locaux la reprsentation du systme donnant une commande globale lisse gale la somme des commandes partielles chacune pondre par la validit correspondante [KARDOUS et al, 07].

u(t) = ) ( ) (1t u tiNii =(2.13) Modle M1Modle M2Modle MnU(t)Un(t)U2(t)U1(t)30 Rapport de MmoireMastre ATS Figure 2.4 Principe de la Fusion 3Formulations des validits Lorsquunsystmecomplexeestdcritparunensembledemodles,ilestindispensablede pouvoirquantifierledegrdefiabilitdechaquemodlepoursavoirdansquellemesureil faudra lutiliser pour dcrire le systme [ZOUARI, 07], [KARDOUS, 04]. Ce but est atteint si on peut valuer pour chaque modle un indice de qualit, appel validit, quipeutvarieraucoursdutempsenfonctiondeplusieursparamtres.Lavaliditvidun modleMiestcompriseentre0et1.Sielleestgale1,alorslemodleMidcrit parfaitement le processus linstant considr. Si au contraire elle prend la valeur 0, alors le modle Mi est absolument faux. Cesvaleursextrmescorrespondentaucasdecommutationquiconsisteutiliserchaque instantunseulmodleetngligerparconsquenttouslesautres.Saufque,cesvaleurs extrmes sont rarement atteintes. En effet, aucun modle ne peut tre pratiquement idal pour reprsenter parfaitement le processus. Partant du principe quun modle idal ait une validit gale 1, une proprit fondamentale en dcoule naturellement ; il sagit de la somme convexe des validits : ==Niiivv11] 1 , 0 [ i= 1.N(2.14) U1(t)U(t)V1(t)V2(t)Vn(t)+U2(t)Un(t)Modle M1Modle M2Modle Mn31 Rapport de MmoireMastre ATS 3.1Classification des validits Plusieursmthodesdestimationdesvalidits,onttdjprsentesdanslalittrature [ZOUARI, 07], [AKHENAK, 04] et [KARDOUS, 04]. Ces mthodes sont classes suivant les mthodes dobtention des modles qui sont lies aux connaissances disponibles sur le procd savoir :lesvaliditsaprioripouvanttredtermineshorsligneenfonctiondes informations disponibles a priori, et les validits a posteriori devant tre estimes en ligne en fonction des mesures effectues a posteriori. 3.1.1Approche floue Lalogiqueflouepeuttreconsidrecommeunemthodedecalculdesvaliditsvides diffrents modles de la bibliothque.La structure interne dun systme flou est donne par la figure 2.5. Figure 2.5 Gnration des validits par lapproche floue r, est le vecteur dtat (c'est--dire reprsentant une information sur le rsidu du systme). ri, est un sous ensemble dcrit par sa fonction dappartenance sur lunivers de discours. Fuzzification(FZ):transformelesvaleursnumriquesdesentresrietrenune partie floue. Les fonctions dappartenance peuvent tre du type triangulaire. Infrence(INF):produitlimagedelapartiefloueissuedelafuzzificationparune relationfloueconstruitepartirdesrgles.Eneffet,cettagedinfrencepermetde gnrerlesvaliditsvienappliquantlesrglesdinfrencesquidcriventlinfrence du modle choisi et les modles Mi de la bibliothque de modle. 32 Rapport de MmoireMastre ATS Dfuzzification (DEF) : transforme la partie floue issue de linfrence en une valeur numriquedesortie.Doladterminationdesvaleursnumriquesdesvaliditspar exploitation de la mthode du centre de gravit. 3.1.2Approche probabiliste Cetteapprocheconsistetrouverlameilleurehypothsepossible[KARDOUS,04], [ZOUARI, 07], tant donn des observations et des connaissances statiques. Il faut dfinir les probabilits a priori de ralisation de chaque modle lmentaire, assimil unehypothse,etlesdensitsdeprobabilitsliantlenvironnementauxmodles.Ces dernires vont reprsenter les validits recherches. Par exemple, une fonction peut tre approxime par lexpression suivante comme suit : ==Nij jt j p t f t f1) / ( ) ( ) ( (2.16) op(j/t)estlaprobabilitposteriorideralisationdujimemodlequipeuttrecalculde diffrentesmanires.Parexemple,enutilisantlaloidebayes,laprobabilitp(j/t)scrit comme suit : ==Niijt i t pt j t pt j p1) ( ) / () ( ) / () / ( (2.17) Avec : p(t/j)estlafonctiondedensitdeprobabilitpourlentreu,tantdonnquelemodle dindice j est le plus appropri. wj(t) sont des fonctions de pondration. 3.1.3 Approche gomtrique Cetteapprocheconsistemesurerladistancedientreltatactuelduprocessusetceluidu modleconsidr[ZOUARI,07],[KARDOUS,04].Cettedistanceestreprsenteparla figure 2.6. Le systme tant caractris par le point M et les modles Mi par les points Mi,i = 1,..,N. 33 Rapport de MmoireMastre ATS Figure 2.6 Distance gomtrique 1 Le domaine de validit peut tre considr comme un hypervolume dcrit par la figure 2.7. Figure 2.7 Distance gomtrique 2 On peut sattendre ce que la validit dun modle, sil est convenablement choisi, saccrot lorsqueltatduprocessusserapprochedudomainedevaliditdecemodle,cest--dire lorsque la distance entre le systme et son modle dcrot. Ladistanceeuclidienneentrelessortiesdumodleetlasortiedusystmeestdfiniedonc, par : 2 / 112) ( min min ||

\| = == MkkD yjD yiy y y y dj j (2.15) 34 Rapport de MmoireMastre ATS 3.1.4Approche par rsidu Toutes les approches dj voques dans [KARDOUS, 04] permettent de calculer les validits horsligneensebasantsurlesconnaissancesaprioridusystmeetdesesmodles.Encas dabsence dinformations a priori, ces mthodes deviennent inapplicables. Pour ce problme, lapprocheparrsidusconstituelemeilleurrecourspuisquellenencessitequela connaissance des rponses du systme et des modles pouvant tre dtermin en ligne. Cette mthode est base sur lutilisation des rsidus qui reprsentent lerreur entre les valeurs rellesetlesvaleursestimesparlesmodlesdecertainesvariablesdusystme.Elleest exploitepourladtectionetlalocalisationdesdfaillances.Danslapprochemultimodle, cette mthodeest utilise pour lestimation des validits des modles de la base.Les rsidus sont gnrs partir des sorties des modles Mi , i=1,,N et du processus et ils sont exploits pour dduire les validits des diffrents modles de la base. 3.1.4.1 Rsidu simple Le rsidu classique utilis dans lapproche multimodle est exprim par lcart entre la sortie du processus et les sorties des diffrents modles Mi : ) ( ) ( ) ( k y k y k ri i =i= 1,,N (2.18) avecy(k) est la sortie du processus linstant k. yi(k) est la sortie du modle Mi linstant k.

Uneautreexpressiondersidusimpleestutilisedans[KARDOUS,04],enparticulier lorsqueltatdusystmeestaccessible,lcartentrelentredusystmeetlesentresdes diffrents modles de la bibliothque. ) ( ) ( ) ( k x k x k ri i = ; i= 1,,N(2.20) avec: x(k) est la sortie du processus linstant k. xi(k) est la sortie du modle Mi linstant k. Maintenant, nous allons prsenter le principe de rsidu normalis.35 Rapport de MmoireMastre ATS Cette technique, malgr sa simplicit de mise en oeuvre, possde des inconvnients. En effet des perturbations sur les validits peuvent apparatre. Ces perturbations sont dues linfluence des modles dfectueux sur ceux proches du modle original [ZOUARI, 07] et [KARDOUS, 04]. Ltape de normalisation : (2.23) 3.1.4.2 Rsidu sur un horizon Lorsquelesrsidusdpendentseulementdelitrationk,lesvaliditspeuventtrenon significatives. Car mme si un modle soit loin du comportement du processus, il peut quand mmereprsenterlesystmeconvenablementauniveaudunpoint.Parconsquence,tenir compte de rsidu dans certaines itrations, peut nous conduire des fausses dcision en ce qui concerne le modle reprsentatif du systme. Acetgard,ilestrecommandabledeprendreencomptelhistoriqueducomportementdes modles de la base. Ceci nous ramne lutilisation dun autre type de rsidu sur un horizon [KARDOUS, 04]; Il est considr comme laccumulation des chantillons durant L itrations, avec L la largeur de lhorizon. Pour lcart dtat, les rsidus sont donns par lexpression suivante : |||

\| =L LiLiidl dl l k x l k xdl l k x l k xk r1 11) ( ) () ( ) () ( ; i =1,, N(2.21) et lorsquon considre lerreur de la sortie, lexpression devient |||

\| =L LiLiidl dl l k y l k ydl l k y l k yk r1 11) ( ) () ( ) () ( ;i = 1,, N (2.22) Danslesdeuxcas,lesrsidusobtenussontnormalissetlhorizondobservationdoittre optimis de manire assurer les bonnes performances souhaites.==Niiiink rk rk r1) () () (36 Rapport de MmoireMastre ATS 3.3Calcul des validits Lavaliditdesmodlesvariedunefaoncontraireauxrsidusetpeuttredfiniecomme suit: ) ( 1 ) ( k r k vin i = (2.24) Gnralement,onchoisitlesvaliditstellesquechaqueinstantleursommeestgale lunit. Soit : 1) () (=Nk vk viin (2.25) Pour liminer les perturbations qui apparaissent aux validits, une tape de renforcement a t propose. Son principe, donne dans [ZOUARI, 07] (fig 2.9). Plusieurs types de validits renforces sont prsents dans la littrature. Nous en prsenterons les deux qui suivent : Renforcement de type 1 La validit renforce scrit en fonction de lexpression de la validit simple [ZOUARI, 07], [KARDOUS, 04] = =Nj ijjs isrenfik v k v k v1)) ( 1 ( ) ( ) ( (2.26) La validit renforce normalise est dfinie par : ==Nirenfirenfi renfink vk vk v1) () () ((2.27) Renforcement de type 2 37 Rapport de MmoireMastre ATS Le deuxime type de validit renforce est donn par la relation suivante : =|||

\| =Nj ijk risrenfijne k v k v12) () 1 ( ) ( ) ( (2.28) la normalisation de cette relation donne : ==Nirenfirenfi renfink vk vk v1) () () ( (2.29) Conclusion Lareprsentationdessystmescomplexesparunmodleuniqueconduitunecomplexit croissantedecedernier,ceproblmeestdautantplusmarqupourlessystmesnon linaires.Leprincipederemplacerlemodleuniquecomplexeparunebasedemodles simples,adoptparlapprochemultimodle,permetdassurerunebonnereprsentationdes processustoutenvitantlesdifficultsrencontresaveclesmodlesnonlinaireslorsdela phase danalyse et de synthse. Aprs la dtermination de la base de modles, on doit choisir le mode adquat, commutation ou fusion pour les systmes de commande multimodle. Contrairement la commutation, la fusion prsente une commande plus lisse se qui amliore lastabilitdu systme,dolidedelappliquerdescommandesdiscontinuestellequele mode glissant. 38 Rapport de MmoireMastre ATS Chapitre 3 Synthse dune commande par mode glissant multimodle Introduction Danscechapitre,nousallonsmettreenoeuvrelesapprochesdjtudiesdanslessections prcdentes savoir lapproche par mode glissant et lapproche multimodle et les combines pour en dduire une nouvelle mthode.Lobjectifestderaliserunecommandequipeutassurerunemeilleurerobustessepourle systme vis--vis des perturbations subies par les actionneurs. En premier lieu, nous allons expliquer la dmarche de la synthse de la commande par mode glissant multimodle.Aprs la prsentation du principe de la nouvelle approche, la tester sur lexemple dun moteur lectriquepuislappliquerlexempledunrobotmobilesousmarinquiprsenteuneforte non linarit et plusieurs perturbations au niveau des actionneurs. Unetudecomparativeentrediffrentesmthodesdesynthsedecommandeseraaussi mene. 3Formulation de lapproche par mode glissant multimodle Lacommandeparmodeglissantmultimodleestinspiredelacommandeconuedans [Poznyak et al,03]. Cette dernire, se base sur lutilisation de la commutation au niveau de la surfacedeglissementpourcommanderunsystme.Danscesens,Poznyak,danssonarticle considre un systme non linaire reprsent laide des sous modles. Cette bibliothque de modle est commande par la commutation entre des surfaces de glissement convenablement choisies pour chaque sous modle.39 Rapport de MmoireMastre ATS Par contre, notre approche consiste raliser une fusion au niveau de la commande par mode glissant au lieu dune commutation afin dliminer ou minimiser les oscillations au niveau de la surface de glissement. La commande rsultante destine pour commander le processus se calcule comme lindique la figure 3.1.Pour arriver synthtiser la commande globale du systme nous avons eu recours la fusion multimodle. En premier lieu, on commence par dterminer les diffrents modles Mi relatifs aux diffrents points de fonctionnements ou bien les modles extrmes. Ensuite,pourdterminerlacommandeuMi (3.2)pourchaquesous-systme,ondoitchoisir des relais avec des paramtres convenables pour chaque modle (3.1). Lasortiedelabasedumodle iy ainsiquecelleduprocessusy vontservirpourlecalcul des validits i(3.3). Ces validits calcules en ligne vont tre multiplies par les commandes partielles,lesrsultatstrouvsserontadditionns(3.4)pourobtenirenfinlacommande globalegu . >