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Modélisation et commande de la machine à courant cont REPUBLIQUE ALGERIENNE DEM

Modélisation et commande de la machine à courant cont REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE LARBI BEN M’HIDI OUM EL BOUAGHI FACULTE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE DEPARTEMENT DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE FILIERE DE GENIE ELCTRIQUE Mémoire de fin d’étude en vue de l’obtention du diplôme de Master Spécialité : Informatique industriel THEME Encadré par: G. Debbache Réalisé par: Remadi Fouad Siouane Abdelaziz Promotion: 2011/2012 Remerciement Nous souhaiterions tout d’abord adresser nos sincères remerciements à Madame Debbache le responsable du projet fin d’étude. Elle m’a fait bénéficier de ses conseils et ses encouragements ont permis à ce travail d’aboutir. Nous tenons également à remercier vivement tous les enseignants qui sont enseignés nous durant notre formation universitaire. Je remercie dieu pour m’avoir donné le courage et la force, et m’avoir aidé tout le long de ce parcoure pour réaliser ce modeste travail Mes vifs remerciements vont à ma famille essentiellement mon Père et ma Mère , mes Frère mes sœurs pour son soutient moral. A touts mes amis et camarades et les filles de notre classe. Et je présente un grand remerciement à toute personne ayant contribué, de près ou de loin à l’aboutissement de ce travail, tout particulièrement tous les enseignants et les membres des laboratoires d’électrotechnique. Fouad A ma mère, mes sœurs, mes frères et tout ma familles. A mes amis Farouk, Hamza, Ramzi, Bilal... A mon camarade Othmani Bachir. A tous les gens qui sont connue mois. A mes camarades à la classe de 2ème Master informatique industriel A tous les enseignants de notre faculté. Personnellement à vous Madame Debbache Aziz Sommaire Introduction générale..................................................................................................................1 CHAPITRE 1:Description et modélisation de la machine à C.C I.1. INTRODUCTION...........................................................................................................................3 I.2. DESCRIPTION D'UN MOTEUR A COURANT CONTINU..........................................................3 I.3. MODES D'EXCITATION...............................................................................................................5 I.4. MODELISATION MATHEMATIQUE D'UN MCC......................................................................8 I.5. PARAMETRES DE LA MACHINE UTILISEE...........................................................................10 I.6. ETUDE EN BOUCLE OUVERTE................................................................................................11 I.7. CONCLUSION.............................................................................................................................13 CHAPITRE 2: Commande par placement de pôles de la machine CC II.1. INTRODUCTION........................................................................................................................14 II.2. CONDITIONS D'APPLICATION................................................................................................14 II.3. COMMANDE PAR PLACEMENT DES POLES.......................................................................15 II.4. PLACEMENT DE POLES PLUS ACTION INTEGRALE..........................................................18 II.5. PLACEMENT DE POLES AVEC OBSERVATEURS…...........................................................22 II.6. CONCLUSION............................................................................................................................33 CHAPITRE 3: Commandes LQR et LQG de la machine CC III.1. INTRODUCTION......................................................................................................................34 III.2. COMMANDE LQR....................................................................................................................34 III.3. COMMANDE LQG...................................................................................................................39 III.4. CONCLUSION...........................................................................................................................47 Conclusion générale.................................................................................................................48 Bibliographie............................................................................................................................49 Liste de Figure Figure Page CHAPITRE 1 : Description et modélisation de la machine à C.C Figure (1.1): (a) image, (b) schéma d’un moteur à courant continu 4 Figure (1.2): Modèle électrique équivalent du rotor du MCC. 4 Figure (1.3): Modèle électrique équivalent du stator du MCC. 5 Figure (1.4) : Modèle électrique équivalent du MCC à excitation série. 5 Figure (1.5) : Modèle électrique équivalent du MCC à excitation shunte. 6 Figure(1.6): Modèle électrique équivalent du MCC à excitation composée. 7 Figure (1.7) : Modélisation électrique d’un moteur CC à excitation séparée. 8 Figure (1.8): Schéma électrique d'une machine à excitation séparée. 8 Figure (1.9) : Réponse en boucle ouverte de la machine CC avec Cr=0. 12 Figure (1.10) : Réponse en boucle ouverte de la machine CC avec Cr=10N.m. 12 CHAPITRE 2 : Commande par placement de pôles de la machine CC Figure (2.1) : Schéma de principe de la commande par retour d'état de la machine CC. 14 Figure (2.2.) : Principe du placement de pôles. 15 Figure (2.3.) : Performances du MCC avec placement de pôles et Cr=0. 17 Figure (2.4.) : Performances du MCC avec placement de pôles et Cr=10 18 Figure (2.5): Schéma de principe de la commande par retour d'état de la machine CC. 18 Figure (2.6): Performances du MCC avec placement de pôles intégral et Cr=0. 20 Figure (2.7): Performances du MCC avec placement de pôles intégral et Cr=10. 21 Figure (2.8): Performances du MCC avec placement de pôles intégral et Cr=20. 21 Figure (2.9): MCC avec placement de pôles intégral et Observateur d'ordre complet 24 Figure (2.10): Performances du MCC avec observateur d'ordre complet et Cr=0. 25 Figure (2.11): Performances du MCC avec observateur d'ordre complet et Cr=10. 26 Figure (2.12):Performances du MCC avec observateur d'ordre complet et bruit de mesure. 27 Figure (2.13): Performances du MCC avec observateur d'ordre réduit et Cr=0. 30 Figure (2.14): Performances du MCC avec observateur d'ordre réduit et Cr=10. 31 Figure (2.15): Performances du MCC avec observateur d'ordre réduit et bruit de mesure. 32 CHAPITRE 3 : Commandes LQR et LQG de la machine CC Figure (3.1): Performances du MCC avec LQR et Cr=0. 37 Figure (3.2): Performances du MCC avec LQR et Cr=10. 37 Figure (3.3): Performances du MCC avec LQR + I et Cr=10. 39 Figure (3.4): Performances du MCC avec LQG et Cr=0. 43 Figure (3.5): Performances du MCC avec LQG + I et Cr=10. 44 Figure (3.6): Performances du MCC LQR+I avec observateur d'ordre complet et Cr=0. 45 Figure (3.7): Performances du MCC LQR+I avec observateur d'ordre complet et Cr=10. 46 Introduction générale Introduction générale 1 Introduction générale Plus de précision, grande plage de variation de vitesse, facilité de commande avec le moindre coût possible, c’est ce qui est exigé par le marché actuel de l’industrie. Les machines à courant alternatif, synchrone ou asynchrone, utilisées de façon conventionnelle, se prêtent bien à des applications où la vitesse est à peu près constante. La machine à courant continu est plus facile à régler lorsque la vitesse doit varier sur une grande plage. En effet, la machine à courant alternatif requiert une commande beaucoup plus complexe pour réaliser un entraînement à vitesse variable et le convertisseur doit fournir une tension alternative d’amplitude et de fréquence variable. Ces inconvénients réduisent donc son attrait dans les applications à vitesse variable, malgré les avantages qu’elle possède sur la machine à courant continu : robustesse et coût moindre, grâce à l’absence de collecteur, poids réduit. L'objectif de ce travail est d'appliquer trois techniques de la commande dans l'espace d'état, à savoir, la commande par placement de pôles, la commande linéaire quadratique (LQR) et la commande linéaire quadratique gaussienne (LQG) sur la machine à courant continu. En considérant dans un premier temps que tous les états sont mesurés, dans un deuxième temps, pour éviter la mesure de tous les états, nous introduisons un observateur pour estimer les états non mesurables. Le présent mémoire est organisé comme suit: dans le premier chapitre, nous présenterons le principe de fonctionnement de la machine à courant continu. Ensuite, nous décrirons la modélisation de la machine CC à excitation séparée. L'analyse de stabilité et la réponse de la machine CC en boucle ouverte sont étudiées à la fin du chapitre. Dans le deuxième chapitre, nous commencerons par décrire la première technique de commande par retour d'état, qui est, la commande par placement de pôles, ainsi que les conditions nécessaires de son application. Ensuite, la commande par placement de pôle est appliquée à la machine CC pour assurer le suivi d'une consigne en présence et en absence d'un couple de charge. Nous considérerons deux cas: Premièrement, nous considérerons que tous les états sont mesurés. Deuxièmement, afin d'éliminer la nécessité de mesurer tous les états, nous introduirons deux types d'observateurs, à savoir, observateurs d'ordre complet qui permet d'estimer tous les états, et observateur d'ordre réduit qui estime uniquement les états non mesurés. Pour éliminer l'effet du couple de charge qui entre comme une perturbation, nous introduirons un intégrateur dans le système. Dans le troisième chapitre, nous décrirons deux techniques de commande, à savoir, la commande linéaire quadratique (LQR) et la commande linéaire quadratique gaussienne (LQG). Cette dernière utilise un filtre de Kalman qui permet d'éliminer l'effet du bruit de mesure. L'application de ces deux techniques à la machine CC est étudiée. Ensuite, Pour éliminer l'effet du couple de charge, nous appliquerons les commandes LQR et LQG au système augmenté par l'introduction de l'action intégrale. CHAPITRE 1:Description et modélisation d CHAPITRE 1 Description et modélisation de la machine à C.C 3 CHAPITRE 1 Description et modélisation de la machine à C.C 1.1. INTRODUCTION : Dans ce chapitre, nous allons décrire les principes de fonctionnement de la machine à C.C Ensuite, nous présenterons la modélisation de la machine C.C à excitation séparée, qui le sujet de notre étude. L'analyse des performances de la machine en terme de stabilité et dynamique de réponse en boucle ouverte sont présentées à la fin de ce chapitre. 1.2. DESCRIPTION D'UN MOTEUR A COURANT CONTINU [1] : Un moteur à courant continu est une machine électrique. Il s'agit d'un convertisseur électromécanique permettant la conversion bidirectionnelle d'énergie à partir d'une installation électrique, parcourue par un courant continu, en énergie mécanique. Un moteur électrique à courant continu est constitué:  D'un stator qui est à l'origine de la circulation d'un flux magnétique longitudinal fixe créé soit par des enroulements statoriques (bobinage) soit par des aimants permanents à stator, se trouve la partie porte balais et les balais assurant les contacts électriques avec le rotor. Il est aussi appelé inducteur.  D'un rotor bobiné relié à un collecteur rotatif inversant la polarité dans chaque enroulement rotorique au moins une fois par tour de façon à faire circuler un uploads/Industriel/ mii-00026.pdf