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T TH HÈ ÈS SE E En vue de l'obtention du D DO OC CT TO OR RA AT T D DE E L L’ ’U UN NI IV VE ER RS SI IT TÉ É D DE E T TO OU UL LO OU US SE E Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Génie électrique et Automatique JURY Pr. Farid Meibody-Tabar (Rapporteur) Pr. Philippe Chevrel (Rapporteur) Pr. Claude Marchand (Membre) Pr. Frédéric Rotella (Membre) Pr. Marc Bodson (Membre) Dr. Stéphane Caux (Directeur de thèse) Pr. Maurice Fadel (Co-Directeur de thèse) Ecole doctorale : Système Unité de recherche : LAPLACE Directeur(s) de Thèse : Dr. Stéphane CAUX et Pr. Maurice FADEL Rapporteurs : Pr. Farid Meibody-Tabar (Rapporteur) Pr. Philippe Chevrel (Rapporteur) Présentée et soutenue par M. Sébastien CARRIERE Le 28 Mai 2010 Titre : Synthèse croisée de régulateurs et d'observateurs pour le contrôle robuste de la machine synchrone Résumé Cette étude se concentre sur la synthèse de lois de commande de servo-entraînements accouplés à une charge ﬂexible à paramètres incertains avec l’unique mesure de la posi- tion du moteur. La loi de commande a pour but de minimiser les eﬀets de ces variations tout en gardant la maîtrise d’un cahier des charges de type industriel (temps de réponse, dépassement, simplicité d’implantation et de synthèse). De ce fait, un contrôleur et un observateur sont implantés. Un contrôleur de type retour d’état avec une minimisation d’un critère linéaire quadratique assurant un placement du pôle dominant est asso- cié à un observateur de type Kalman. Ces deux structures utilisent des méthodologies classiques de synthèse : placement de pôles et choix de pondération des matrices de Kalman. Pour ce dernier, deux stratégies sont abordées. La première utilise les matrices de pondération diagonale standard. De nombreux degrés de liberté sont disponibles et donnent de bons résultats. La seconde déﬁnit la matrice des bruits d’état avec la varia- tion de la matrice dynamique du système. Le nombre de degrés de liberté est réduit, les résultats restent similaires à la stratégie précédente, mais la synthèse est simpliﬁée. Ceci permet d’obtenir une méthode n’exigeant que peu d’investissement théorique de la part d’un ingénieur mais non robuste. Pour ceci, la méthode de µ-analyse caractérisant la stabilité robuste est appliquée en parallèle à un algorithme évolutionnaire autori- sant une synthèse, plus rapide et plus précise qu’un opérateur humain. Cette méthode complète permet de voir les avantages d’une synthèse croisée de l’observateur et du cor- recteur au lieu d’une synthèse séparée. En eﬀet, le placement optimal des dynamiques de commande et d’observation dans le cadre des systèmes à paramètres variants ne suit plus une stratégie classique découplée. Ici, les dynamiques se retrouvent couplées voire même inversées (dynamique de la commande inférieure à celle de l’observateur). Des résultats expérimentaux corroborent les simulations et permettent d’expliquer les eﬀets des observateurs et régulateurs sur le comportement du système. Mots clés : Filtre de Kalman, Optimisation LQ, MASAP, Système ﬂexible, Robustesse paramétrique, Algorithme évolutionnaire. i Abstract This thesis is performing a study on the law control synthesis for PMSM direct dri- ving to a load having its mechanical parameters variant. Furthermore, only the motor position is sensored. The control law aim is to minimize the eﬀects of these variations while keeping the performance inside industrial speciﬁcations (response time at 5%, overshoot, implementation and synthesis simplicity). As a result, an observer is pro- grammed jointly with a controller. A state feedback controller deduced from a linear quadratic minimization is associated with a Kalman observer. These both structures employ standard method deﬁnitions : poles placement and arbitrary weight of Kalman matrices choice. Two deﬁnitions strategies are employed for the observer. The ﬁrst is the classical arbitrary weights choice. A lot of degrees of freedom are accessible and allow this observer to impose a good behaviour to the system. The second deﬁnes the system dynamic matrix variation as the state space noise matrix. The number of degrees of free- dom decreases dramatically. However the behaviour is kept as well as the previous case. This method is then easy to understand for an engineer, gives good result but non robust in an automatic sense. Consequently, an automatic study on robustness, the µ-analysis, is added to this control deﬁnition for theoretically checking. In parallel with the study robustness, an evolutionnary algorithm leads to a quicker and more accurate synthesis than a human operator. Indeed, in the case of systems having variant parameters, the optimal dynamics choice for the controller and the observer is not following the classical way. The dynamics are coupled or even mirrored ( the controller dynamic is slower than the observer one). At the end, experimental results allow to understand the way that observer or controller operate on the system. Keywords : Kalman ﬁlter, LQ optimization, PMSM, Flexible system, Parametrical ro- bustness, Evolutionnary algorithm. iii Remerciements Le travail suivant s’est déroulé sur trois années au laboratoire LAPLACE. Sans l’aide physique et morale des personnes m’ayant soutenues, je n’aurais jamais pu aboutir dans le temps imparti. Je tiens à toutes les remercier chaleureusement du cadre qu’elles m’ont fourni. D’abord les membres du Jury : – Monsieur Farid Meibody-Tabar, Professeur à l’Institut National Polytechnique de Lorraine, pour m’avoir fait l’honneur d’accepter le poste de rapporteur. – Monsieur Philippe Chevrel, Professeur à l’école des mines de Nantes, dont la lecture et les critiques intégrées au rapport m’ont permis de corriger ce manuscrit en vue d’une meilleure compréhension. – Monsieur Marc Bodson, Professeur à l’Université de Salt Lake City (Utah, Etats- Unis), qui a consacré une partie de son voyage en France à évaluer mon travail. – Monsieur Claude Marchand, Professeur à Supélec, pour m’avoir fait l’honneur de présider le Jury. – Monsieur Frédéric Rotella, Professeur à l’ENI de Tarbes, qui a apporté des com- pétences et un regard critique diﬀérents des personnes impliquées dans le travail. – Monsieur Maurice Fadel, Professeur à l’Institut National Polytechnique de Tou- louse et Directeur adjoint du laboratoire LAPLACE pour m’avoir encadré durant ces trois années. Je lui exprime ma gratitude pour toutes les réunions bilans et ses connaissances qui m’ont permis de faire le point et d’envisager de nombreuses solutions pour l’avancement du travail. – Monsieur Stéphane Caux, Maître de conférence à l’Institut National Polytechnique de Toulouse, Habilité à dirigé la recherche pour l’encadrement et la direction de cette thèse. La vision globale du domaine de recherche ainsi que les qualités humaines dont il fait preuve ont rendu cette collaboration agréable. Merci pour tout et bonne chance pour une future promotion de professeur. Je remercie également : – Monsieur Pascal Maussion, directeur du Groupe CODIASE pour son accueil au sein du groupe et les eﬀorts qu’il fait pour permettre la diﬀusion d’informations au sein du groupe. Les discussions de couloir au coin de la porte de son bureau resteront également comme de bons souvenirs de pause entre deux tâches. – Monsieur Francesco Alonge, Professeur à l’Université de Palerme (Italie) pour m’avoir accueilli durant deux mois dans le laboratoire qu’il dirige. Je le remer- cie aussi grandement pour toute l’aide qu’il m’a fournie dans l’application des méthodes robustes. Je n’oublierai pas non plus l’accueil chaleureux qu’il m’a ré- v vi servé au travers de visites de lieux touristiques et d’une aide appréciable dans les démarches administratives. – Messieurs Robert Larroche et Olivier Durrieu sans lesquels la plate-forme expéri- mentale n’aurait jamais existé sous cette forme. – Monsieur Bruno Sareni, Maître de conférence à l’Institut National Polytechnique de Toulouse, Habilité à dirigé la recherche, ses connaissances en optimisation nous ont permis de franchir de nombreuses diﬃcultés rapidement pour la mise en œuvre de la dernière partie de mon travail. – Mesdames Daguillanes, Meberek, Schwartz pour leur gentillesse et leur disponi- bilité durant ces trois années pendant lesquelles les tâches administratives m’ont paru moins rigides. Maintenant, place aux collègues et amis, piliers de ma vie sociale : – Damien, Baptiste, Meriem, Trides, Rockys et Julien pour l’agréable ambiance pré- sente dans mes bureaux successifs. Les discussions des uns et les blagues pas toujours très ﬁnes des autres m’ont toujours donné envie de venir travailler. – Sylvain, aussi matinal que moi, tu as souvent été mis à contribution lors des journées où l’informatique n’allait pas assez vite. Merci pour toutes ces heures de discussion au coin du bureau et avec un bon café. – Alexandre, Nadia, Labo, Mathieu et Lauriane, les voisins des bureaux d’à coté qui ont souvent connu en direct mes crises de nerfs et vécu les pires mais aussi les meilleurs moments de ma thèse. – Frédéric, Clément et André, mes chers colocataires du début de thèse qui ont dû supporter mes horaires décalés. 8h le dimanche matin, c’était tôt pour eux, je les remercie pour leur patience, l’écoute et les grands sujets de discussion au coin d’un canapé avec une bonne bière le soir ou le week-end. – Ana, Dominique et Carole, les Lundi midi n’auront plus la même saveur sans ces intermèdes piscines et discussions autour de cultures générales pendant les trajets. – L’orchestre de l’INPT et tout uploads/Management/ carriere.pdf