ETUDE DE LA COMMANDE DU SOUS MARIN «ALISTAR» AVEC LE LOGITIEL DID ACSYDE

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1 ETUDE DE LA COMMANDE DU SOUS MARIN «ALISTAR» AVEC LE LOGITIEL DID ACSYDE PROBLEME POSE : On se roose dans ce TP d étudier et d améliorer les erformances de l asservissement en vitesse du sous-marin autonome d insection «Alistar» en utilisant le logiciel DIDACSYDE. Ce TP est insiré de d éreuve de SI du concours Centrale MP ACTIVITES : 1. Mise en situation 2. Etude du système non erturbé 3. Etude du système erturbé 1/9

2 ACTIVITE 1 : Mise en situation Les installations d exloitation (late-forme, tête de uits, ieline,...) des chams étrolifères Offshore situées en haute mer font l objet d une constante surveillance. Bien que cruciale our des raisons de sécurité, elle est difficilement réalisable à cause de l hostilité du milieu marin et des grandes rofondeurs rendant l intervention humaine irréaliste. Le recours à un drone sous-marin s imose naturellement. La concetion d un tel engin reose essentiellement sur le tye de mission à réaliser. Dans le cas articulier d une insection de ieline, il doit être caable, en toute autonomie, de localiser uis de suivre le tracé de ce dernier sur lusieurs dizaines de kilomètres afin de contrôler son état général en focalisant l attention rincialement sur les risques de recouvrement ar des sédiments et sur les zones où le ieline ne reose lus sur les suorts. Il doit également être caable de vérifier les oints d ancrage du ieline. Présentation du drone L ALISTAR 3000 est un engin sous-marin autonome qui entre dans la catégorie des «AUV» (Autonomus Underwater Vehicle) caable d effectuer une grande variété de tâches d insection sur les chams étrolifères Offshore jusqu à une rofondeur de m. Une fois la mission d insection établie et rogrammée, il offre la ossibilité de recueillir des données vidéo (caméra) et sonars (latéral et à balayage) des installations sousmarines visitées (ieline, tête de uits,...). Il stocke ces informations our un déouillement ultérieur à terre. Pour cette étude, le rofil d une mission tye de ce sous-marin se décomose ar l enchainement temorel de cinq hases distinctes : 1. une hase de esée et de réaration du sous-marin, mise à l eau ; 2. une hase de descente afin de rejoindre le oint de déart de son travail d insection ; 3. une hase d insection (contrôle de l état général du ieline) ; 4. une hase de remontée à la surface ; 5. une hase de récuération du sous-marin. 2/9

3 Architecture générale de l AUV Pour se délacer, l ALISTAR est ourvu de 8 roulseurs : 4 roulseurs rinciaux arrière, 2 roulseurs latéraux et 2 roulseurs verticaux. Cette structure assure une excellente manœuvrabilité dans l esace sans avoir recours à des gouvernes orientables, consommatrices d énergie et eu efficaces lors de certaines manœuvres ou our contrecarrer les effets des courants marins. Comme le montre la figure, la fonction «Gérer la réartition de oussée» de l AUV eut être commandée soit ar un agent de tye guidage (ilotage automatique dans le cas général) ou bien encore, si cela est ossible, ar une commande de tye manuel (joystick). Dans le cas autonome, des consignes de ilotage réalablement définies sont fournies au système de commande ainsi que des informations de retour rovenant des différents cateurs résents sur l AUV (voir figure). 3/9

4 Les traitements de ces données vont générer des sorties de tye consignes de oussée ermettant d obtenir les 6 degrés de liberté du véhicule nécessaires à son évolution en trois dimensions. Le système de commande active, en fonction des consignes de ilotage qu il reçoit, les algorithmes d asservissement adatés au besoin et assurant le resect des contraintes imosées ar le cahier des charges. Les consignes de oussée sont rises en comte ar le réartiteur de oussée afin de définir la commande unitaire associée à chaque roulseur. PILOTAGE DE L ALISTAR La commande individuelle de chacun des roulseurs ermet de diriger l ALISTAR dans l esace. Ces entités de roulseurs sont constituées d un moteur électrique à courant continu iloté en tension et accoulé à une hélice. La variation de la tension de commande du moteur entraîne une variation de la fréquence de rotation de l hélice modulant alors la oussée du roulseur. On se lace dans le cas de l insection d un ieline rectiligne et horizontal. Au cours de son évolution, l ALISTAR enregistre une image de la structure externe du ieline et effectue un balayage sonar. La qualité de ces enregistrements déend fortement de la qualité du contrôle du délacement de l ALISTAR au dessus du ieline. Différents essais ont montré que la vitesse otimale était de 2 nœuds soit 1,028 m.s -1. Une ébauche du schéma-bloc modélisant la commande asservie de la vitesse du sousmarin eut se mettre sous la forme suivante : Question 1 Dans le cas de l ALISTAR, exliquer en quelques mots l intérêt d une structure de commande asservie et la fonction de chacun des comosants. Cet asservissement fonctionne-t-il ici en régulation ou en oursuite? Arès différentes hyothèses simlificatrices, le schéma bloc modélisant la commande asservie de la vitesse du sous-marin rend la forme : 4/9

5 On note : U c ( : consigne de vitesse U( : vitesse de l ALISTAR P( : effort de oussée roduit ar le roulseur F ert ( : Forces dues aux erturbations Les forces d origine hydrodynamique agissant sur l ALISTAR autres que celles roduites ar les roulseurs constituent les rinciales erturbations. Ces forces varient en fonction du milieu marin, des courants, de la rofondeur, H ( G. C( 1 H 2 K cat ( V /( m. s 1 1 G 94 N. V : Gain modélisant le roulseur C ( : Fonction de transfert du correcteur : Fonction de transfert modélisant le comortement mécanique ) On donne les erformances souhaitées de la fonction «Maîtriser la vitesse de suivi du ieline» : Erreur statique our une entrée en échelon de vitesse : 1 % Raidité T 5% < 5 s Pas de déassement ACTIVITE 2 : Etude du système non erturbé. Modélisation sur le logiciel DIDACSYDE Double cliquer sur l icône DYD ACSYDE. Construction du schéma bloc Cliquer sur «Modèle», choisir «Entrée» et sélectionner dans la boite de dialogue une entrée en échelon. Positionner le schéma sur la age de travail en cliquant à l endroit souhaité. 5/9

6 Dans modèle choisir maintenant «Sommateurs» uis dans la boîte de dialogue un sommateur +-. Placer le sommateur à droite du récédent en renant soin de ménager une lace vide entre les deux entités grahiques. Continuer la construction du schéma bloc afin d obtenir le schéma suivant : Enregistrer régulièrement ce modèle dans votre réertoire sous le nom «alistar1» (il y aura éventuellement un «alistar2»). Créer ensuite les liaisons entre les blocs afin d obtenir le schéma suivant : Le schéma informationnel de base est construit mais les modèles ne sont as encore définis. Double cliquer sur la boite matérialisant H (, choisir un gain de 94 (ce qui 1 corresond à un correcteur C ( 1). Double cliquer sur la boite matérialisant H ( 1 11., et rentrer ses caractéristiques sous la forme suivante : Remarque : Chaque olynôme est défini ar les coefficients de ses uissances classés ar ordre décroissant et séaré ar une virgule, exemle : our le olynôme on rentre 2,0,1,3 Double cliquer sur la boite matérialisant l échelon d entré, choisir un retard = 1 et une amlitude = /9

7 Double cliquer sur la boite matérialisant la erturbation, choisir un retard = 0 et une amlitude = 0 (as de erturbation). Une fois les blocs renseignés, ils aaraissent en traits leins : Modélisation du comortement : Aller dans le menu «Analyse» et choisir «Réonse temorelle» Le logiciel demande de nommer chaque bloc (et certaines variables), choisir S our la sortie, H1 et H2 our les fonctions de transfert, E our l entrée, P our la erturbation et m1, m2 our les variables intermédiaires. Confirmer que la grandeur étudiée est la sortie S Choisir un horizon temorel ar exemle de 10 secondes Choisir de ne as modifier le as Visualiser les courbes et vérifier les 2 entrées (E et P). Sortir toujours de la fenêtre de résultat grahique en cliquant sur FIN Cliquer sur les courbes E et P, afin de ne garder uniquement la courbe S sélectionnée. Visualiser la courbe de sortie. Question 2 Rerendre l étude en adatant l horizon temorel. Visualiser la courbe de sortie, utiliser les outils «zoom» et «grille» our donner les erformances en récision et en raidité. Comarer avec les erformances du cahier des charges. Influence d un correcteur roortionnel. Modifier le schéma bloc en ajoutant un correcteur roortionnel C( a. Lancer l étude en définissant les valeurs du correcteur suivantes : 10, 50, 100, 200, 300 (séarées ar des virgules). 7/9

8 Question 3 Donner l influence de l augmentation du gain du correcteur roortionnel sur les erformances. Parmi les valeurs données, quelle valeur du correcteur ermet d obtenir les erformances les lus roches du cahier des charges. Otimisation du correcteur. On utilise un correcteur roortionnel : C( a Question 4 Déterminer la fonction de transfert globale du système de commande : La mettre sous forme canonique. A( U ( U (. Déterminer la valeur numérique otimale du gain a du correcteur ermettant de réondre au critère du cahier des charges sur l erreur statique. Déterminer le tems de réonse et vérifier que ce gain ermet également de valider le critère sur la raidité. Question 5 Lancer l étude sur le logiciel avec la valeur du correcteur trouvée et vérifier les erformances obtenues. c ACTIVITE 3 : Etude du système erturbé. Mise en évidence du roblème Lancer l étude en faisant aaraitre une erturbation de N à t = 3s. Question 5 Donner l influence de la erturbation. Influence d un correcteur roortionnel intégral b On décide alors d utiliser un correcteur roortionnel intégral C( a. La comosante roortionnelle a de ce correcteur restant la valeur déterminée récédemment. Modifier le schéma bloc en ajoutant ce correcteur. 8/9

9 Lancer l étude en faisant varier les valeurs de la comosante intégrale du correcteurb. Question 6 Donner l influence de la comosante intégrale du correcteur. Otimisation du correcteur. On décide un correcteur roortionnel intégral sous la forme suivante : 1 1 b. C( a. 1 a.. Avec b 11 b. b. Question 7 Déterminer la fonction de transfert : nulle. La mettre sous forme canonique. U ( A( U ( c en considérant une erturbation Déterminer la valeur numérique otimale du gain a du correcteur ermettant de réondre au critère du cahier des charges sur la raidité. Question 8 Lancer l étude avec les valeurs otimisées du correcteur et valider les erformances du cahier des charges (modifier si besoin le tems d aarition de la erturbation et sa valeur en renant N).. Question 9 Déterminer la fonction de transfert : la erturbation non nulle. U ( B( en considérant l a consigne nulle et F( En utilisant le théorème de la valeur finale, démontrer que l erreur statique due à une erturbation est nulle. Question 10 Lancer l étude avec une entrée u c ( t) 10.( t 1). u( t 1) 10.( t 11). u( t 11) et la erturbation t ( t) 500.( t 20). u( t 20) 500.( t 30). u( t 30) et observer les erreurs de trainages. 9/9