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1Automatique
Marges de stabilité et performances des systèmes linéaires asservis
UV Automatique
ASI 3
Cours 5
2Automatique
Contenu
! Robustesse de la stabilité" Notion de robustesse de la stabilité
" Marges de stabilité (marges de gain et de phase)
! Performances des systèmes asservis" Précision des systèmes asservis
# Erreur en régime permanent liée à la consigne
# Rejet des perturbations
" Rapidité des systèmes asservis
" Dilemme stabilité, rapidité, précision
3Automatique
Robustesse de la stabilité (1)
! Introduction" Caractéristiques des critères de Routh et de Nyquist
# Déterminer si le système est stable, oscillant ou instable en BF
# Déterminer les conditions limite de stabilité
# Ne permettent pas de dire si le système stable en BF est plus oumoins proche de l'instabilité (point critique)
" Concept de marges de stabilité (système à stabilité absolue)
# Intuitivement, la stabilité est satisfaisante si le lieu de Nyquist ou de Black du système en BO passe loin du point critique -1
Re
Im
-1
Stabilité satisfaisante
Re
Im
-1
Marges de stabilité faibles
4Automatique
Robustesse de la stabilité (2)
! Marges de stabilité
" Marge de phase mϕ
" Marge de gain mg
avec
Elles permettent d'estimer la proximité de la réponse fréquentielle HBO(jω) du point critique π−∠=− 11
Soit ωc0 la pulsation telle que |HBO(jωc0)|=1. La marge de phase est la différence entre ϕBO(ωc0) et −π
( ))(arg)( 00 CcBO jH ωωϕ =
Soit ω-π la pulsation telle que argHBO(jω-π)=−π. La marge de gain est l'écart entre 0dB et le gain à la pulsation ω-π
πωϕϕ += )( 0cBOm
avec πωϕ π −=− )(BO)(log20 10 πω−−= jHm BOg
5Automatique
Robustesse de la stabilité (3)! Interprétation des marges de stabilité
! Remarques
$Un système est stable en BF si la marge de phase est positive$La marge de gain correspond au gain supplémentaire
maximum que l'on peut donner au système en BO sans risquer de le rendre instable en BF
$Plus les marges sont grandes, plus robuste est la stabilité
$Pour une bonne stabilité, on considère satisfaisantes les valeurs minimales : mϕ = π/4 à π /3 (45° à 60°) et mg=10dB à 15dB
$On définit aussi la marge de retard mr comme le retard maximal admissible sans déstabiliser le système en BF
0cr
mm ω
ϕ=e−τs introduit un déphasage de −τω
Condition de stabilité : πωϕτω −≥+− )( 00 cBOc0
limc
mωτ ϕ≤⇒
6Automatique
Robustesse de la stabilité (4)
! Détermination des marges de stabilité
ϕ
G (dB)
-π/2-ππππ
mϕ
mg
ωc0
ω-π−−−−ππππ
0 dB ωlog
G (dB)
ϕ (rad)
ωlog
mϕ
mg
ωc0
ω-π
Re
Im
-1O
A
mϕ
ωc0
ω-π Amg 10log20−=
Cercle de rayon unité
7Automatique
Performances des systèmes asservis! Introduction
! Précision des systèmes asservis
En boucle fermée, on désire que :$ le système suive la consigne en régime établi (précision)$ le système élimine les perturbations (rejet des perturbations)$ le système ait une dynamique rapide
C (s) H (s) yc +−ε y u
d
++
F (s)
La précision est définie à partir du signal d'erreur ε :
)()()( tytyt c −=ε
Considérons le schéma simplifié d'asservissement
On s'intéresse à l'erreur en régime permanent : )(lim t
tεε
∞→∞ =
8Automatique
Précision des systèmes asservis (1)
! Sortie du système asservi
! TL de l'erreur
)()()( sHsCsHBO =
)()(1)()()(1
)()( sDsHsFsYsH
sHsYBO
cBO
BO+++=
avec
)()()( sYsYtE c −=
)()(1)()()(1
)()()( sDsHsFsYsH
sHsYtEBO
cBO
BOc +−+−=
)()(1)()()(1
1)( sDsHsFsYsHsE
BOc
BO +−+= )()()( sHsCsHBO =
9Automatique
Précision des systèmes asservis (2)
! Erreur d'asservissement
" Un terme relatif à l'écart avec la consigne
" Un terme d'erreur dû à la perturbation
)()(1)()()(1
1)( sDsHsFsYsHsE
BOc
BO +−+=
L'erreur est fonction de deux termes :
)()(11)( sYsHsE cBO
c +=
)()(1)()( sDsH
sFsEBO
d +−=
Le système est d'autant plus précis que l'erreur en régime permanent est proche de 0
0)(lim →∞→
tt
ε
10Automatique
Précision des systèmes asservis (3)
! Erreur relative à la consigne εc
)(lim)(0
ssEcs
c→
=∞⇒ ε)(lim)( tct
c εε∞→
=∞
)()(1lim)(0
sYsHs
cBOs
c +=∞→
ε
)()()(
0
000 sD
sNsKsH BO α=Ecrivons HBO(s) sous la forme
1)()(lim
0
00
=→ sD
sNs
avec
)(
)()(1
lim)(
0
0000
sY
sDsN
sK
sc
sc
α
ε+
=∞→
)(1
lim)(
000
sY
sKs
cs
c
α
ε+
=∞→
⇒
)(lim)(0
1
0 0
0sY
Kss
cs
c +=∞
+
→ α
αε
11
)()(
1
1
0
00
0 ++++++= −
− sasasbsb
sDsN
nn
mm
L
Lα
α⇒
11Automatique
Précision des systèmes asservis (4)
! Erreur relative à la consigne εc
" : consigne échelon. On parle d'erreur de position ou erreur statique
" : consigne rampe. On parle d'erreur de vitesseou erreur de traînage
" : consigne parabole. On parle d'erreur d'accélération
L'étude peut être menée pour tout signal de consigne. En pratique, on s'intéresse à l'erreur pour des consignes suivantes :
)()( ttyc Γ=
)()( tvtyc =
221)( ttyc =
RemarqueUn système ayant α0 intégrateurs est dit de classe α0ou de type α0
12Automatique
Précision des systèmes asservis (5)
! Erreur relative à la consigne εc
" Consigne échelon (erreur statique ou de position)
#
#
(pas d'intégrateur en BO, système de classe 0)
avec
00, 0
0lim)(
Kss
spc +=∞⇒
→ α
αε
ssYc
1)( =⇒)()( ttyc Γ=
00 =α
KpKpc1
11)(
0, =
+=∞ε ( ))(1lim
0sHKp BO
s+=
→
(au moins un intégrateur en BO)10 ≥α
Si le système n'a pas d'intégrateur en BO, le système en BF présente une erreur statique permanente. Cette erreur est d'autant plus petite que le gain en BO K0 est grande
0)(, =∞pcε Si le système a au moins un intégrateur en BO, le système en BF a une erreur statique nulle.
13Automatique
Précision des systèmes asservis (6)
! Erreur relative à la consigne εc
" Consigne rampe (erreur de vitesse)
#
#
#
(système de classe 0, pas d'intégrateur en BO)
avec
0
1
0, 0
0lim)(
Kss
svc +=∞⇒
−
→ α
αε2
1)(s
sYc =⇒)()( tvtyc =
00 =α
∞=∞)(,vcε
)(lim0
ssHK BOs
v→
=
(système de classe 2 ou supérieure)20 ≥α
0)(, =∞vcε
10 =α (système de classe 1, 1 intégrateur en BO)
vvc K
1)(, =∞ε Gain en vitesse
14Automatique
Précision des systèmes asservis (7)
! Erreur relative à la consigne εc
" Consigne parabole (erreur d'accélération)
#
#
#
(au plus 1 intégrateur en BO)
221)( ttyc =
avec
0
2
0, 0
0lim)(
Kss
sac +=∞⇒
−
→ α
αε3
1)(s
sYc =⇒
10 ≤α
∞=∞)(,acε
)(lim 20
sHsK BOs
a→
=
(plus de 2 intégrateurs en BO)30 ≥α
0)(, =∞acε
20 =α (système de classe 2, 2 intégrateurs en BO)
aac K
1)(, =∞ε Gain en accélération
15Automatique
Précision des systèmes asservis (8)
! Récapitulation (erreur due à la consigne)
0∞∞εc,a
00∞εc,v
000εc,p
α0>2210α0ε
aK1
vK1
pK1
α0 : nombre d'intégrateurs de la fonction de transfert en BO
Ces résultats sont valables si le système est stable en BF !!
Remarques$ Dans le cas où l'erreur est non nulle mais bornée, cette erreur est d'autant plus petite que le gain en BO est grand$ Si le gain en BO est grand, il y a risque d'instabilité (cf Routh) : c'est le dilemme stabilité - précision
16Automatique
Précision des systèmes asservis (9)! Illustration
0 2 4 0
0.5
1 εc,p
0 5 10 15 0
5
10
15
εc,v→∞
0 5 10 0
10
20
30
40
50
εc,a→∞
0 5 10 15 0
0.5
1 εc,p= 0
0 5 10 0
5
10
εc,v
0 10 20 0
50
100
150
200 εc,a→∞
0 20 40 0
0.5
1
1.5
2
εc,p= 0
0 10 20 0
10
20
30
εc,v=0
0 10 20 0
50
100
150
200 εc,a≠0
α0=0 α0=1 α0=2
17Automatique
Précision des systèmes asservis (10)
! Erreur relative à la perturbation εd
)()(1)()( sDsH
sFsEBO
d +−=
)(lim)(0
ssEds
d→
=∞⇒ ε)(lim)( tdt
d εε∞→
=∞
)()()(
0
000 sD
sNsKsH BO α= 1)0(
)0(0
0 =DNPosons
On parle de rejet asymptotique de la perturbation si l'erreur due à la perturbation εd tend vers 0 en régime permanent
)()()( sD
sNsKsF
ddd
β= 1)0()0( =
dd
DN
)(lim)(0
1
0 0
0sD
KssKd
sd +
−=∞⇒+−
→ α
βαε
avec
avec
18Automatique
Précision des systèmes asservis (11)! Erreur relative à la perturbation εd
" Perturbation de type échelon ( )
# (système de classe 0). On a :
• Si β = 0, on obtient
• Si β ≠ 0, on obtient
L'erreur est bornée si F(s) n'a pas d'intégrateur
00, 0
0lim)(
KssKd
spd +
−=∞−
→ α
βαε
ssD 1)( =
00 =α00
, 1lim)(
KsKd
spd +
−=∞−
→
βε
p
ddpd K
KK
K −=+
−=∞0
, 1)(ε
−∞=∞)(, pdε
La présence d'intégrateurs dans F(s) ne contribue pas àl'élimination asymptotique de la perturbation
19Automatique
Précision des systèmes asservis (12)! Erreur relative à la perturbation εd
" Perturbation de type échelon
# (au moins un intégrateur)
• Si α0−β = 0, on obtient
• Si α0−β ≥1, on obtient
10 ≥α
0, )(
KKd
pd −=∞ε
L'erreur de position εd,p due à la perturbation est diminuée voire annulée si on augmente le nombre d'intégrateurs α0en amont du point d'application de la perturbation tout en veillant à ne pas déstabiliser le système
00,
0lim)(
KsKd
spd
βαε
−
→−=∞On a
0)(, =∞pdε
20Automatique
Précision des systèmes asservis (13)! Erreur relative à la perturbation εd
0
-∞
-∞
-∞
-∞
εd,a
0003
012
0002
-∞11
001
-∞00
εd,vεd,pα0 β
p
dKK−
v
dKK−
Avec
)(lim0
ssHK BOsv→
=
v
dKK−
a
dKK−
a
dKK−
)(lim 20
sHsK BOsa→
=
( ))(1lim0
sHK BOsp +=→
L'erreur totale en régime permanent est la somme de l'erreur par rapport à la consigne et de l'erreur due à la perturbation
21Automatique
Précision des systèmes asservis (14)! Rejet de la perturbation par compensation
Si F(s) est connue, on peut éliminer totalement la perturbation en réalisant une correction par compensation
C (s) H (s) yc + − ε y u
d
++
F(s)W (s)
−
)()(1
)()()()()(1
)()( sDsH
sHsWsFsYsH
sHsYBO
BOc
BO
BO+−+
+=
Le hic! W(s) n'est pas toujours stable ou physiquement réalisable (contrainte de causalité)
On élimine totalement la perturbation en prenant
)()()( sHsCsH BO =
)()()(sH
sFsWBO
=
22Automatique
Performances dynamiques (1)! Performances
" rapidité : temps de montée tm, temps de réponse tr
" dépassement
" résonance
! Résultats qualitatifs
On apprécie le comportement dynamique des systèmes asservis en termes de (cf cours 1 à 3) :
Ces performances peuvent être évaluées sur la réponse indicielle ou fréquentielle du système asservi
Peut-on déduire les performances des systèmes asservis à partir de la connaissance de HBO(s) ?
$ Oui pour les systèmes du 1er ordre$ Des résultats qualitatifs pour les systèmes du 2e ordre
23Automatique
Performances dynamiques (2)! Système du premier ordre en BF
" Fonction de transfert en BF
avec
Quand on boucle un système du 1er ordre, on obtient en BF un système ayant le comportement d'un 1er ordre
KBF : gain statique en BF TBF : constante de temps en BF
sTKsHBO
0
01
)(+
=H BO(s)yc + −
ε y
sTKKsHBF
00
01
)(++
= ⇒sT
KsHBF
BFBF +
=1
)(
0
01 K
KKBF +=
0
01 K
TTBF +=et
24Automatique
Performances dynamiques (3)! Système du premier ordre en BF
" Remarques
# Le système du 1er ordre en BF présente en régime permanent, une erreur statique non nulle. Cette erreur est d'autant plus petite que le gain K0 est grand (mais attention à la saturation des actionneurs !!)
# Temps de réponse en BF
• Le système est plus rapide en BF qu'en BO
• Le temps de réponse est d'autant plus petit que K0 est grand
avec sT
KsHBF
BFBF +
=1
)(0
01 K
KKBF +=
0
01 K
TTBF +=et
0
0, 1
33K
TTt BFBFr +==
25Automatique
Performances dynamiques (4)! Système du deuxième ordre en BF
" Fonction de transfert en BF
12)(
0,
02
0,
20
++=
ssKsH
nn
BO
ωξ
ω
H BO(s)yc +−
ε y
)1(2)(
00,
02
0,
20
KssKsH
nn
BF+++
=
ωξ
ω
,
⇒12
)(
,2,
2++
=ss
KsH
BFn
BF
BFn
BFBF
ωξ
ω
: gain statique en BF0
01 K
KKBF +=
0
01 KBF +
= ξξ
00,, 1 KnBFn += ωω
: facteur d'amortissement en BF ( )
: pulsation naturelle en BF
10 << BFξ
26Automatique
Performances dynamiques (5)! Système du deuxième ordre en BF
" Remarques# Le système en BF a une erreur statique non nulle
# Le système en BF a un comportement oscillatoire amorti
# Le facteur d'amortissement ξBF est faible si K0 est grand ⇒ la réponse indicielle a un fort dépassement
# Le temps de montée tm est rapide si K0 grand
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
2
4
6
8
10
ξBF
ω n, BF
t m
8.02.0 << BFξPour on a
42 , << mBFn tω
Pour les valeurs courantes de ξBF, on peut obtenir un ordre de grandeur du temps de montée en BF à partir des éléments de la BO
27Automatique
Performances dynamiques (6)
! Système du deuxième ordre en BF" Relation empirique 1
" Relation empirique 2 : relation entre marge de phase et facteur d'amortissement en BF
Si K0 >> 1, on montre que 000,, 1 cnBFn K ωωω ≈+=
avec ωc0 la pulsation telle que |HBO(jωc0)|=1 ou G(ωc0)=0dB
ωc0 est appelée aussi pulsation de coupure à 0dB
Ces deux relations permettent de déduire les performances du système en BF à partir de la connaissance des caractéristiques fréquentielles de HBO
100)(deg rém
BFϕξ ≈ mϕ : marge de phase °+= 180)( 0cBOm ωϕϕ
28Automatique
Performances dynamiques (7)! Système du deuxième ordre en BF
" Influence du gain statique K0 en BO sur la BF# Augmentation de K0 ⇒
• diminution de ξBF , augmentation de ωn,BF (donc de la BP)• dépassement DBF important• diminution de la marge de phase (stabilité moins bonne)• augmentation du temps de montée en BF et de la précision
#Diminution de K0 ⇒• augmentation de ξBF , diminution de ωn,BF (donc de la BP)• diminution du dépassement DBF
• augmentation de la marge de phase (stabilité améliorée)• diminution du temps de montée en BF et de la précision
Il y a un compromis à trouver entre la rapidité, la stabilité et la précision