Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

N° d'ordre H 405 Rapport de synthèse présenté à L'UNIVERSITE DES SCIENCES ET TE

N° d'ordre H 405 Rapport de synthèse présenté à L'UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE en vue d'obtenir L'HABILITATION A DIRIGER DES RECHERCHES par Alain BOUSCAYROL Docteur en Génie Electrique de l’INP Toulouse FORMALISMES DE REPRESENTATION ET DE COMMANDE APPLIQUES AUX SYSTEMES ELECTROMECANIQUES MULTIMACHINES MULTICONVERTISSEURS Soutenance le 22 décembre 2003, devant le jury composé de : Professeur Louis-A. DESSAINT Rapporteur Professeur Jean-Paul LOUIS Rapporteur Professeur Jean-Pierre ROGNON Rapporteur Professeur Jean-Paul HAUTIER Directeur de Recherche Professeur Bernard De FORNEL Examinateur Professeur Betty LEMAIRE-SEMAIL Examinateur Professeur Francis PIRIOU Examinateur Professeur Alfred RUFER Examinateur Nom/Prénom : N° d’ordre : H 405 Alain BOUSCAYROL Titre FORMALISMES DE REPRESENTATION ET DE COMMANDE DES SYSTEMES ELECTROMECANIQUES MULTIMACHINES MULTICONVERTISSEURS Résumé De nombreux systèmes utilisent plusieurs entraînements électromécaniques, c'est à dire une répartition de l'énergie sur plusieurs chaînes de conversion. Les divers actionneurs sont alors de dimensions réduites et les contraintes sur les divers éléments sont plus faibles que pour un actionneur unique. La disponibilité et la fiabilité de l'ensemble sont ainsi augmentées. De plus, lors d'une mise en défaut d'une composante, un fonctionnement en marche dégradée est souvent possible. Mais ces systèmes demandent une commande plus complexe des divers entraînements. Par ailleurs, les diverses chaînes de conversions se perturbent les unes les autres, ce qui peut occasionner des dysfonctionnements, voire des détériorations. Ces systèmes, utilisés depuis de nombreuses années dans l'industrie, ont d'abord été considérés comme des ensembles d'entraînements indépendants. Leur commande a alors été composée d'entités séparées. Mais les diverses contraintes inhérentes à cette distribution d'énergie ont dû être prises en compte, ce qui a été réalisé progressivement, au cas par cas. Un groupe national de réflexion a été organisé en 1998 dans le cadre du GdR SDSE, afin d'étudier ces systèmes, ce qui a mené à la dénomination de Systèmes Multimachines Multiconvertisseurs (SMM). Les éléments clefs de la répartition d'énergie ont été définis comme éléments de couplage, reliant plusieurs chaînes de conversion. Cette démarche commune, si elle s'intéressait à des systèmes déjà connus, a débouché sur une nouvelle vision de ces systèmes et de leur gestion. Les études qui ont suivi, allaient le prouver, avec le développement de structures particulières, d'analyses spécifiques, et de lois de commandes originales. A l'heure actuelle, la démarche classique d'étude des SMM est liée à une approche réductionniste : l'étude du système se déduit directement de celle de ses composantes. Mais les SMM ne peuvent pas se résumer à une association simple de machines et de convertisseurs. Ce concept est à l'origine de l'approche systémique entreprise dans nos travaux : les associations des composantes ont un impact sur l’ensemble. Le L2EP a utilisé cette approche systémique pour développer une démarche de structuration de la commande des tels systèmes. Ces travaux ont abouti à la Représentation Energétique Macroscopique (REM) dont la notion centrale est alors l'énergie. Cette vision souligne les manipulations d'énergie de tels systèmes. Les commandes déduites correspondent alors à une gestion optimisée de l'énergie au plus près des éléments qui la transforment. Afin de situer le travail proposé, le premier chapitre fait un bref récapitulatif des modélisations et commandes des systèmes électromécaniques. Le deuxième chapitre est consacré à la REM, outil de description synthétique des systèmes électromécaniques. Une Structure Maximale de Commande (SMC) se déduit naturellement de la REM à l'aide de règles d'inversion. Les divers concepts de REM et de SMC sont illustrés au chapitre III à l'aide d'un exemple issu d'applications pratiques : de la modélisation de ses composantes à la commande en temps réel (plate-forme expérimentale SMM du L2EP). Le dernier chapitre ouvre une discussion sur les améliorations du formalisme et sur son extension à d'autres applications. Soutenue le 22 Décembre 2003 à l'USTL (Lille) "Représentation et commande des SMM", A. Bouscayrol, L2EP Lille, 2003 Remerciements L'ensemble des activités scientifiques présentées dans ce mémoire a été réalisé au sein du L2EP, Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance de Lille, dirigée par le Pr. Jean-Paul HAUTIER. Je remercie M. Bernard de FORNEL, Professeur à l'INP de Toulouse, d'avoir accepté de présider mon jury. J'ai eu la chance de le côtoyer lors de mon doctorat au LEEI, il restera un modèle de rigueur scientifique et d'ouverture d'esprit. Je remercie MM. Louis-A. DESSAINT, Professeur à l'ETS de Montréal, Jean-Paul LOUIS, Professeur à l'ENS Cachan, et Jean-Paul ROGNON, Professeur à l'INP de Grenoble, d'avoir accepté de rapporter sur ce mémoire malgré leurs nombreuses responsabilité. Les discussions scientifiques qui ont suivi amèneront à mieux positionner ce travail. Je remercie M. Alfred RUFER, Professeur à l'EPF Lausanne, d'avoir accepté d'examiner ce travail. Les collaborations en cours sur l'utilisation des formalismes proposés devraient prolonger nos échanges. Je remercie M. Francis PIRIOU, Professeur à l'USTL, d'avoir accepté d'examiner ce travail. Ses discussions constructives ont fait progresser ma vision des choses. Je remercie Mme Betty LEMAIRE-SEMAIL, Professeur à Polytech'Lille, responsable de l'équipe "Commande" du L2EP, d'avoir accepté d'examiner ce travail. Son soutien permanent des activités de formalisation a conforté le travail entrepris. Je remercie, enfin, M Jean-Paul HAUTIER, Professeur à l'ENSAM, d'avoir été mon directeur de recherche, et d'avoir vraiment joué ce rôle par ses discussions scientifiques passionnées, ses encouragements et ses travaux de formalisation, bases de la renommée de l'équipe "Commande" du L2EP. Un tel travail ne saurait être sans les interactions bénéfiques de nombreux membres du L2EP et aussi ceux de l'opération SMM des GdR SDSE et ME2MS. Mes pensées se tournent plus particulièrement vers Philippe DELARUE, Maître de Conférences à Polytech'Lille, et Eric SEMAIL, Maître de Conférences à l'ENSAM, qui ont su m'offrir de réelles complicités et complémentarités scientifiques. Interaction est vraiment le maître mot de nos collaborations. Le service électrotechnique de l'USTL fonctionne vraiment en équipe pédagogique, avec une évolution constante des enseignements, en adéquation avec nos activités de recherche. Je remercie ses acteurs d'avoir su me permettre de travailler dans un tel état d'esprit et notamment d'intégrer la REM dans diverses formations. Je dédie plus particulièrement ce travail à ma femme, Christine, et mes enfants, Martin et Gauthier, pour lesquels, avoir un enseignant-chercheur passionné à la maison, n'est toujours facile. "Représentation et commande des SMM", A. Bouscayrol, L2EP Lille, 2003 — i — Sommaire Sommaire — ii — "Représentation et commande des SMM", A. Bouscayrol, L2EP Lille, 2003 — iii — Sommaire AVANT PROPOS INTRODUCTION 1 Chap - I. MODELISATIONS ET COMMANDES DES SYSTEMES ELECTROMECANIQUES 7 Résumé 9 I. 1. Problématique de la commande des systèmes électromécaniques 11 I. 1. 1 Problématique des systèmes électromécaniques 11 I. 1. 2 Problématique de la commande 13 I. 2. Outils de modélisation des systèmes électromécaniques 14 I. 2. 1 Approches traditionnelles 14 I. 2. 2 Approches par graphes 17 I. 2. 3 Bilan des divers outils 21 I. 3. Commandes des systèmes électromécaniques 21 I. 3. 1 Approche globale : le principe d'asservissement global 21 I. 3. 2 Approche locale : le principe d'inversion 24 I. 3. 3 Bilan des deux approches 27 I. 4. Limites des outils classiques 27 I. 4. 1 Spécificités des SMM 28 I. 4. 2 Intérêt d’une représentation plus synthétique 28 CHAP - II. OUTILS DE REPRESENTATION ET DE COMMANDE DE SMM 31 Résumé 33 II. 1. La systémique, point de départ 35 II. 1. 1 L'approche systémique 35 II. 1. 2 Complémentarité avec l'approche cartésienne 38 II. 1. 2 Apports de l'approche systémique pour les SMM 38 Sommaire — iv — II. 2. La Représentation Energétique Macroscopique 40 II. 2. 1 Les différents éléments de la REM 40 II. 2. 2 Les règles d'association 44 II. 2. 3 L'extension aux SMM 47 II. 3. La Structure Maximale de Commande 52 II. 3. 1 Extension du principe d'inversion 53 II. 3. 2 La résolution des couplages des SMM 55 II. 3. 3 Les structures pratiques de commande 58 II. 4. Bilan critique de la REM 61 II. 4. 1 REM, qu'est-ce que c'est ? 61 II. 4. 2 REM, quelles implications ? 62 II. 4. 3 REM, quelles limites ? 64 II. 4. 4 REM, quelles applications ? 66 CHAP - III. EXEMPLE D'APPLICATION AUX COUPLAGES MULTIPLES 67 Résumé 69 III. 1. Description du système 71 III. 1. 1 Systèmes industriels avec couplages 71 III. 1. 2 Déduction d'un système d'étude 76 III. 2. REM du système étudié 77 III. 2. 1 REM des éléments constitutifs 77 III. 2. 2 REM du système global 86 III. 2. 3 Analyse des contraintes 88 III. 3. SMC du système étudié 90 III. 3. 1 SMC du système de traction 91 III. 3. 2 Emulateur de couplage mécanique 95 III. 3. 3 Validations expérimentales 96 III. 4. Bilan et extensions 104 III. 4. 1 Bilan de l’étude réalisée 104 III. 4. 2 Extension à d’autres systèmes 107 "Représentation et commande des SMM", A. Bouscayrol, L2EP Lille, 2003 — v — CHAP - IV. EXTENSIONS ET PERSPECTIVES DE LA REM 109 Résumé 111 IV. 1. Perspectives à court terme 113 IV. 1. 1 Vers une amélioration du formalisme 113 IV. 1. 2 Vers l’application aux systèmes dégradés 115 IV. 1. 3 Vers l’application aux systèmes multi-sources 116 IV. 2. Perspectives à uploads/Industriel/alain-bous-cayrol.pdf