Analyse et Commande des systèmes linéaires

Analyse et Commande des systèmes linéaires
Frédéric Gouaisbaut
LAAS-CNRS
Tel : 05 61 33 63 07
email : [email protected]
webpage: www .laas.fr / ∼ fgouaisb
September 24, 2009
Présentation du Cours
Volume Horaire: 9h Cours, 9h de Tds, 12h de TPs,
Matériel sur le site http://www.laas.fr/∼ fgouaisb
Polycopié sur la résolution des EDOs,
Transparents de Cours,
Polycopié de TPs,
Polycopié de Cours.
Evaluation:
1 note de contrôle intermédiaire (Partiel),
1 note de contrôle terminal,
1 note de travaux pratiques (comprenant 1 note de contrôle QCMs type
moodle, 1 note terminale de travaux pratiques).
Contact
⋆ Responsable du Cours : Frédéric Gouaisbaut, [email protected]
⋆ Responsable des TPs : Yann Labit, [email protected]
Sommaire
1
Introduction à l’automatique et à la notion de systèmes.
2
Une première modélisation temporelle des systèmes linéaires.
3
Analyse temporelle des systèmes linéaires.
4
Une seconde modélisation des systèmes linéaires.
5
Analyse structurelle des systèmes linéaires.
6
Exemples de commande de systèmes bouclées.
7
Conclusion
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Part I
Analyse temporelle des systèmes linéaires
Exemples
Introduction
Régime transitoire
Sommaire
1
Introduction
2
Régime transitoire
3
Les systèmes du 1er ordre
4
Les systèmes du 2nd ordre
5
Exemples de systèmes régulés
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Exemples
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Exemples
Analyse temporelle
Les systèmes que nous allons étudier sont définis par un modèle liant l’entrée
et la sortie.
Analyse d’ un système
comprendre l’évolution du signal de sortie en fonction des sollicitations
de l’entrée.
Comparer les évolutions des sorties de différents systèmes.
Comparer des systèmes :
1
2
3
en terme de stabilité (le système explose t-il ?).
en terme de rapidité de convergence vers l’objectif.
en terme de qualité de convergence (oscillations de la sortie ...)
→ Définir des indices de performances communs.
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Exemples
Les réponses temporelles
idée : Comparer les réponses des systèmes à une série d’entrées tests.
e(t)
Impulsion de dirac
t
E (p) = 1
e(t)
Echelon unitaire
e(t) = 1∀t > 0, 0 sinon
t
E (p) = 1/p
e(t)
Rampe
Parabole
e(t) = t∀t > 0, 0 sinon
e(t) = t 2 ∀t > 0, 0 sinon
E (p) = 1/p 2
E (p) = 2/p 3
t
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Exemples
Indices de performances pour la réponse indicielle
y(t)
D1
8
} 2, 5% de y( )
8
y( )
0.9
Tm : temps de montée
Tp : temps de pic
Tr : temps de réponse
D1 : premier dépassement
t
0.1
Tr ou Te
Tm
Tp
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Définitions d’indices de performance
Réponse temporelle composée de :
1
régime transitoire.
2
régime permanent.
Nous définissons plusieurs points de référence aisément calculables ou
mesurables :
La valeur finale :
Le temps de montée :
Le temps de premier pic :
La valeur du premier pic ou premier dépassement :
Le temps de réponse :
Exemples
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Exemples
Régime transitoire et Régime permanent
1
2
La réponse transitoire du système yt (t). Celle ci correspond à la
solution de l’équation homogène où les n inconnues (provenant des
polynômes qi ) sont déterminés grâce aux conditions initiales.
La réponse permanente du système qui correspond à la solution
particulière de l’équation différentielle. Elle correspond en général à la
partie de la courbe lorsque t −→ ∞.
Example
Soit l’équation ẏ (t) + y (t) = 2 × u(t) = 2 × 1 avec comme condition initiale
y (0) = 0. L’équation homogène s’écrit yl (t) = Ae −t . L’équation particulière
s’écrit y (t) = 2. La constante A est calculé telle que yl (0) + yp (0) = 0 i.e.
A = −2. Le régime permanent est donc yp (t) = 2 et le régime transitoire est
yt (t) = −2e −t .
Analyser la réponse indicielle c’est donc analyser les caractéristiques du
régime permanent (yp (t) = 2) et analyser les caractéristiques du régime
transitoire (yt (t) = −e −t ou au signe près y ⋆ (t) = e −t )
Introduction
Σ du 1er ordre
Régime transitoire
Σ du 2nd ordre
Indices de performances pour le régime permanent
Valeur finale
La valeur finale de la courbe est définie par y (+∞) = lim y (t)
t→+∞
Reponse indicielle
0.4
0.35
Amplitude
0.3
0.25
0.2
Valeur finale
0.15
0.1
0.05
0
0
5
10
15
20
Temps (sec)
25
30
35
Exemples
Introduction
Σ du 1er ordre
Régime transitoire
Σ du 2nd ordre
Exemples
Indices de performances pour le régime transitoire
Temps de montée
Le temps de montée d’un système est le temps mis par sa sortie pour passer
de 10% de sa valeur finale à 90% de sa valeur finale.
Reponse indicielle
2
1.8
1.6
Amplitude
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Temps de montee
0
0
5
10
15
20
Temps (sec)
25
30
35
40
Introduction
Σ du 1er ordre
Régime transitoire
Σ du 2nd ordre
Exemples
Indices de performances pour le régime transitoire
Temps de réponse
Le temps de réponse d’un système est le temps mis par la sortie du système
pour entrer dans la bande compris entre ±5% de sa valeur finale.
Reponse indicielle
Reponse indicielle
1.5
2
1.8
1.6
1
Amplitude
Amplitude
1.4
1.2
1
0.8
0.5
0.6
0.4
Temps de reponse
Temps de reponse
0.2
0
0
5
10
15
20
Temps (sec)
25
30
35
40
0
0
5
10
15
Temps (sec)
20
25
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Exemples
Indices de performances pour le régime transitoire
Temps du premier pic
Le temps de premier pic est le temps mis par le système pour atteindre le
premier pic du dépassement (si celui ci a lieu ...)
la valeur du premier pic
La valeur du premier pic a plusieurs définitions reflétant différentes manières
de mesurer la valeur du dépassement maximale par rapport à la valeur finale
de y (t). Il est en général utilisé en pourcentage :
Dr =
y (Tp ) − y (∞)
∗ 100%
y (∞)
Introduction
Σ du 1er ordre
Régime transitoire
Σ du 2nd ordre
Indices de performances pour le régime transitoire
Reponse indicielle
1.5
Valeur du premier pic
Amplitude
1
0.5
Temps du
premier pic
0
0
5
10
15
Temps (sec)
20
25
Exemples
Introduction
Σ du 1er ordre
Régime transitoire
Σ du 2nd ordre
Modèle et Réponse d’un système du 1er ordre
Equation différentielle
a0 y + a1 ẏ = b0 u ⇔ y + T ẏ = Ku
T est la constante de temps et K est le gain statique.
Réponse indicielle, échelon e0
y (t) =
=
=
t
e − T x0
t
e − T x0
t
e − T (x0 − Ke0 )
régime transitoire
Pente à l’origine
ẋ(0) =
R t − t−τ K
T
+
T e0 dτ
0 e
− Tt
+
K (1 − e )e0
+
Ke0
+ régime permanent
Ke0 − x0
T
Exemples
Introduction
Σ du 1er ordre
Régime transitoire
Σ du 2nd ordre
Tracé de la réponse indicielle
y(t)
y( )
8
8
5% de y( )
63%
Temps de réponse à 5% = 2.86T
Temps de montée de 10 à 90% = 2.2T
t
T
2T
3T
La valeur finale : Ke0 .
Le temps de montée : 2, 2T .
Le temps de premier pic :∅.
La valeur du premier pic ou premier dépassement :∅.
Le temps de réponse : tr = 3T .
Exemples
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Exemples
Identification de la réponse
choix d’un modèle mathématique.
Détermination des paramètres du modèle (par exemple le gain statique
K et la constante de temps T )
⇒ Identification de ces paramètres
1
2
Ces paramètres sont calculés par l’intermédiaire de la connaissance du
processus physique.
Ces paramètres sont difficilement calculables ou avec un grande
imprecision ...
⇒ Utiliser la méthode de la réponse indicielle pour calculer les paramètres
inconnues...
Introduction
Σ du 1er ordre
Régime transitoire
Σ du 2nd ordre
Exemples
Identification de la réponse
Example
Soit un système de capteur d’entrée e(t), la donnée que le capteur mesure et
de sortie y (t) la mesure du capteur. La réponse indicielle (pour une entrée
e(t) = 1) donne la courbe suivante.
Calcul du temps de montée tm = 7.2sec
Calcul de la valeur finale y (∞) = 4.1sec
Modèle du système
4.5
yfinale=4.1
4
3.5
3
3.27ẏ (t) + y (t) = 4.1e(t)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
tm=7.2 sec
10
15
20
25
30
Introduction
Σ du 1er ordre
Régime transitoire
Σ du 2nd ordre
Exemples
Identification de la réponse
Example
Soit un système de capteur d’entrée e(t), la donnée que le capteur mesure et
de sortie y (t) la mesure du capteur. La réponse indicielle (pour une entrée
e(t) = 1) donne la courbe suivante. Nous pouvons aisément calculer son
temps de réponse tr = 4.36sec, son temps de montée tm = 3.65sec et sa
valeur finale y (∞) = 2.
Step Response
2
1.8
1.6
1.4
Amplitude
temps de montee
valeur finale
temps de reponse
1.2
1
0.8
0.6
reponse indicielle du systeme physique
0.4
0.2
0
0
1
2
3
4
Time (sec)
5
6
7
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Exemples
Calcul du modèle mathématique
Reflet du comportement physique,
même valeur finale.
même temps de réponse.
Nous choisissons un modèle simple du premier ordre.
y (∞) = Ke0 = 2 ⇒ K = 2
tr = 3T = 4.36 et donc T = 1.463. Le modèle mathématique du capteur
sera donc :
1.463ẏ (t) + y (t) = 2e(t)
Introduction
Σ du 1er ordre
Régime transitoire
Σ du 2nd ordre
Exemples
Comparaisons entre la réponse du modèle et du procédé
Nous obtenons par ailleurs les réponses suivantes :
reponse indicielle
2
1.8
modele mathematique premier ordre
1.6
temps de reponse
Amplitude
1.4
1.2
temps de montee
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
procede reel
0
1
2
3
Temps (sec)
4
5
6
7
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Exemples
Modèle du second ordre
Equation différentielle :
ÿ + a1 ẏ + a0 y = b0 u ⇔ ÿ + 2ζωn ẏ + ωn2 y = K ωn2 u
Fonction de transfert : G (p) =
K ωn2
p 2 +2ζωn p+ωn2
ωn est la pulsation naturelle (pulsation propre non amortie), ζ est le
coefficient d’amortissement, K est le gain statique.
Le comportement dépend des racines de l’équation caractéristique
(pôles du système) :
Si ζ > 1, alors pôles réels :
p1,2 = −ζωn ± ωn
p
1
1
ζ 2 − 1 = − et −
τ1
τ2
si ζ = 1, alors pôle double : p = −ζωn
si ζ < 1, alors pôles complexes conjugués :
p
p1,2 = −ζωn ± jωn 1 − ζ 2
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Réponse indicielle apériodique ζ > 1
y (t) = K 1 −
= K 1−
y(t)
p2 e tp1 −p1 e tp2
u(t)
p1 −p2
t
−τ
− τt
τ1
τ2
1 +
2
e
e
u(t)
τ1 −τ2
τ1 −τ2
8
y( )
ζ petit
ζ grand
t
Exemples
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Réponse indicielle critique ζ = 1
y (t) = K 1 − e −ωn t − ωn te −ωn t u(t)
Exemples
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Exemples
Réponse indicielle oscillante amortie |ζ < 1|
Réponse oscillante amortie
"
#
p
e −ωn ζt
y (t) = K 1 − p
sin(ωn 1 − ζ 2 t + ϕ) u(t)
1 − ζ2
√
1−ζ 2
avec ϕ = arctg ζ .
p
Pulsation propre : ωp = ωn 1 − ζ 2 Période des oscillation : T =
Enveloppe d’amortissement donnée par e −ωn t
Temps de réponse à 5% : Te ≃ ζω3 n
Temps de montée : Tm = 2ωπ p = T4
− √ ζπ
Premier dépassement : D1 = 100.e 1−ζ2 (en %)
intervient à T2
Coefficient de surtension lorsque ζ < √12
p
Pulsation de résonance : ωr = 1 − 2ζ 2 ωn
Coefficient de surtention : Q = √1
2ζ
1−ζ 2
2π
ωp
Introduction
Σ du 1er ordre
Régime transitoire
Σ du 2nd ordre
Exemples
Réponse indicielle d’un modèle d’ordre 2
y(t)
e - ζωn t
D1
8
} 5% de y( )
8
y( )
T
t
Tm
Tp
Te
Introduction
Σ du 1er ordre
Régime transitoire
Σ du 2nd ordre
Evolution Réponse indicielle amortissement ζ
Plus ζ diminue, plus les dépassements augmentent
réponse indicielle
1.6
gain statique : 1
pulsation naturelle : 1
zeta=0.2
1.4
1.2
amplitude
1
0.8
zeta=0.5
0.6
zeta=0.7
0.4
zeta=1
0.2
zeta=1.5
0
0
5
10
15
temps
20
25
30
Exemples
Introduction
Σ du 1er ordre
Régime transitoire
Σ du 2nd ordre
Exemples
Evolution Réponse indicielle pulsation ωn
ω n= 0.5
1.8
Step Response
ω n= 0.4
1.6
1.4
Amplitude
1.2
1
0.8
0.6
ω n= 0.1
0.4
ω n= 0.2
0.2
ω n= 0.3
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Exemples
Asservissement proportionnel et intégral
Example (asservissement de position)
On désire asservir la position d’un petit robot. Nous commandons la vitesse
des roues et nous désirons que celui-ci progresse de yr mètres. Le modèle
liant la vitesse des roues Ω(t) et la position du robot y (t) est donné par :
ẏ (t) + 30y (t) = Ω(t)
Choix d’une commande en boucle fermée: Ω(t) = k(yr (t) − y (t)) où k est
un paramètre de la commande.
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
La relation entre yr et y (t) devient alors :
ẏ (t) + 30y (t) = Ω(t) = k(yr − y (t))
ẏ(t) + (30 + k)y = kyr
k
30+k yr
1
Pour une consigne de yr , le robot progresse de
2
Nous pouvons également utiliser k pour jouer sur la vitesse de
3
.
convergence car tr = 30+k
Exemples
Introduction
Régime transitoire
Σ du 1er ordre
Σ du 2nd ordre
Exemples
Example (asservissement de position)
Rt
On choisit une commande de la forme Ω(t) = k (yr − y (t)dt) où k est un
0
paramètre de la commande.
L’équation liant la consigne et la sortie devient donc :
ẏ (t) + 30y (t) = Ω(t) = k
Zt
(yr − y (t)dt)
0
En dérivant nous obtenons :
ÿ(t) + 30ẏ (t) + ky (t) = kyr
C’est une équation du second ordre, ces paramètres canoniques sont
Kstatique = 1, ωn = k,ζ = 15
k .
1
Pour une consigne de yr , le robot progresse de yr
2
Nous pouvons également utiliser k pour faire respecter d’autre
spécifications...