Approche Adaptative d une Commande Neuronale sans capteur d un Moteur Asynchrone associée à un Observateur par Mode Glissant

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1 Communication Science & technology N 4. Januay 4 COST Appoche Adaptative d une Commande Neuonale an capteu d un Moteu Aynchone aociée à un Obevateu pa Mode Gliant N. Benhai (), M. Zeikat (), S. Chekoun (), and A. Mechenene () () Laboatoie d Automatique et d Analye de Sytème, Dpt. de Génie Electique, ENP-Oan,BP.3 El Mnaoue () Dépatement d automatique, Faculté de Génie Electique, USTO-Oan, BP,El Mnaoue benhai@yahoo.f, mokhta.zeikat@enet-oan.dz, chekoun@hotmail.f, mechenene_aek@hotmail.com. Réumé Cet aticle péente la commande neuonale d une machine aynchone an capteu de vitee, afin de emédie aux inconvénient de la commande avec capteu. Une commande neuonale pou la égulation de la vitee aocié à un obevateu de type mode gliant a été donné pou etime le flux otoique et la vitee mécanique de la MAS. Cet obevateu et aocié à une commande vectoielle claique. L enemble commandeobevateu et teté u le tajectoie de fome de conigne divee. Le éultat obtenu pa de eai effectué en imulation numéique, pou difféent égime de fonctionnement de l enemble onduleu, machine aynchone et tuctue de commande, ont péenté aini qu une analye de pefomance de la tatégie de commande popoée. Mot clé machine aynchone, commande an capteu, commande neuonale, contol adaptative pa mode gliant. Abtact Thi pape peent the neual netwok contol of a peed enole of aynchonou machine in ode to ovecome the diadvantage of contol with eno. The aim i to veify whethe the contibution of atificial intelligence appoache bing ignificant impovement in tem in peciion and obutne of peed etimation. A neual netwok contol fo egulating the peed aociated with a liding mode obeve ha been given to etimate the oto flux and the mechanical peed of the induction moto. Thi obeve i aociated with a conventional vecto contol. Seveal tet wee pefomed in imulation though ignificant opeative condition and have demontated the feaibility of the popoed appoache and validate the pefomance due to the contibution on intelligent technique. Index tem Aynchonou machine, enole Contol, neual netwok obeve, adaptive liding mode contol.. INTRODUCTION Le entaînement à vitee vaiable employant de moteu aynchone ont pi ce denièe année une impotance conidéable dan de nombeue application indutielle []. La machine aynchone et appéciée pa a obutee, on faible coût d'achat et on entetien quai-nul, aini que a puiance maique. Cependant ce avantage ont longtemp été inhibé pa la complexité de la commande. De nombeue tatégie de commande ont été développée pou en faie un actionneu qui outepae toute le aute machine. Le développement, de poceeu numéique de ignaux de plu en plu pefomant a endu poible l'implantation à moinde coût de loi de commande ophitiquée (la commande vectoielle, le commande non linéaie, etc...)[]. La commande pa le éeaux de neuone atificiel aue une dynamique élevée de poceu. Le éeaux de neuone ont de modèle inpié du fonctionnement céébal de l ête humain et de e capacité d appentiage en exploitant le concept de neuone fomel. [3]. Il ont d excellent candidat pou éoude le poblème de modéliation, d identification et de contôle de poceu non linéaie et complexe. Le pefomance ont dégadée à tè bae vitee quand le capteu de vitee et emplacé pa un etimateu ou un obevateu, (annulation de la pulation tatoique) ; ce qui coepond à une zone citique due à la pete d obevabilité de la vitee [4]. Pou emédie à ce poblème, note choix et penché u la commande obute an capteu mécanique d une machine aynchone aocié à un obevateu pa mode gliant pou etime le flux otoique et la vitee de la MAS. La technique d obevation pa mode gliant uppoée et un ca paticulie de la théoie de ytème à tuctue vaiable et multifonction SVM []. Cet aticle et oganié comme uit. La ection décit le modèle de la machine aynchone et la commande vectoielle. La commande

2 Communication Science & technology N 4. Januay 4 COST pa le éeaux de neuone et donnée dan la ection 3. Le ection 4, et 6 péentent un obevateu de flux otoique pa mode de gliement aocié à une commande vectoielle de type IFOC..MODÈLE DYNAMIQUE DU MOTEUR ASYNCHRONE ET SA COMMANDE VECTORIELLE. Equation difféentielle du moteu aynchone Le MAS et un actionneu à couant altenatif appelé aui moteu à induction, caactéié pa le fait que on oto ne toune pa à la même vitee que le champ tounant dan l entefe. Le enoulement de la MAS tiphaée ont epéenté pa la figue.. Elle et munie de ix enoulement [4]. Fig. Repéentation électique d un moteu aynchone tiphaée. Pou une commande en tenion du moteu aynchone, le modèle éduit coepondant dan le epèe lié au tato et obtenu en conidéant le compoante de couant ( i d, i q ) comme gandeu de commande, et le vaiable ( d, q ) comme vaiable d état. Le équation de la machine ont donnée de manièe généale pa le équation ci-deu. d Lm Lm Lm id R ) id L iq d q vd dt L L T L T L d Lm iq L i d R dt L L T d Lm d id d ( ) q dt T T d Lm q iq ( ) d q dt T T d P L f P dt L J J J m iqd idq C i q L L m d Lm L T L expeion du couple électomagnétique et donnée pa : Lm Cem p diq L qid () La machine utiliée et uppoée à ditibution inuoïdale, ymétique et non atuée.elle et alimentée en tenion à tave un onduleu MLI. q v q ()

3 Communication Science & technology N 4. Januay 4 COST. Contol vectoiel diect pa oientation du flux otoique La commande vectoielle à pou objectif de etouve le découplage ente le flux et le couple électomagnétique. Son pincipe et baé u l exploitation du modèle dynamique du moteu et conite à choii un ytème d axe (d,q) et de l oiente uivant le flux otoique, en annulant la compoante en quadatue q, pou ne coneve que la compoante diecte d. Le flux otoique et alo aligné u l axe diect et le équation magnétique deviennent[6] : et L i (3) q d Ceci pemet de commande le couple pa l intemédiaie du couant i q et le flux à l aide du couant i d. La nouvelle expeion du couple électomagnétique peut alo écie : C 3L m d m em p di (4) q L Il et alo néceaie de détemine l amplitude et la poition du flux otoique. Dan le ca du chéma du contôle vectoiel diect popoé, ce ôle et confié à l obevateu du flux otoique et de la vitee. Le couant tatoique diphaé ont égulé pa de contôleu claique de type PI, alo que le contôle de la vitee et confié à un contôleu à tuctue neuonale. Le tenion de éféence v d*, v q*, impoent le flux et le couple déié via un onduleu de tenion, lui même piloté pa une commande pa modulation de lageu d impulion (MLI). La figue 4 monte la tuctue de la commande vectoielle indiecte an capteu de vitee popoée. 3. PRINCIPE DE BASE DE LA COMMANDE NEURONALE Le éeaux de neuone atificiel ont de tuctue oganiée autou d un enemble de cellule (le neuone) inteconnectée elon une cetaine achitectue pa de lien pondéé et modifiable lo d une pocédue appelée appentiage [7]. Le neuone fomel (figue ) et contitué de toi élément de bae : un enemble de liaion, chacune caactéiée pa un poid wj (ou coefficient ynaptique) coepondant à l efficacité de la connexion, et une entée x paticulièe toujou égale à, qui pemet d ajoute de la flexibilité au éeau en faiant vaie le euil de déclenchement du neuone pa l ajutement de on poid, couamment appelé biai et noté b, lo de l appentiage et pou tel que : w = b. un additionneu ou unité de ommation pou omme le ignaux pondéé. une fonction d activation à euil pou limite l amplitude de la valeu de otie. Fig. Modèle du neuone fomel de Mac Culloch et Pitt (avec biai) Il agit de éalie l appentiage d un éeau de neuone identificateu RNI, à pati de équence de entée de commande appliquée et de otie meuée. La figue 3 illute le chéma de pincipe d une identification diecte [8].

4 Communication Science & technology N 4. Januay 4 COST Poceu y u - e Fig.3 Pincipe de l identification diecte pa un éeau de neuone 4. APPROCHE DES MODES GLISSANTS RNI A. Concept de bae La théoie de ytème à tuctue vaiable et une technique de la commande non linéaie, caactéiée pa la dicontinuité de la commande aux paage pa une uface de commutation appelée uface de gliement []. Le pincipe de cette technique et de poue le ytème à atteinde et ete u une uface donnée (epéentant un enemble de elation, tatique, ente le vaiable d état). La uface conidéée et alo déignée comme étant la uface de gliement ou de commutation La commande pa mode gliant conite donc, à amene la tajectoie d un état du ytème ve la uface de gliement hypeplan et de le faie commute à l aide d une commutation appopiée autou de celle-ci juqu au point d équilibe : d où le phénomène de gliement. La conception de l algoithme de commande pa mode gliant evient pincipalement à détemine toi étape pincipale tè indépendante. Choix de la uface de commutation S (x) ; Condition d exitence de convegence ; Synthèe de la loi de commande. J.J. Slotine popoe une fome d équation généale pou détemine la uface de gliement S(x) auant la convegence ve la valeu déiée (). S(x) λ e(x) () t S(x) epéente le compotement dynamique du ytème ; e(x) : déigne l écat ente la valeu à égle et a éféence ; : et une contante poitive et : et n (ode du ytème), un degé elatif qui epéente le nombe de foi qu il faut déive la uface S(x) pou faie appaaîte la commande. L objectif de la commande et de mainteni la uface S(x)=. Cette denièe et une équation difféentielle linéaie dont l unique olution et e(x)= pou un choix convenable du paamète. Ceci evient à un poblème de pouuite équivalent à une linéaiation exacte de l écat e(x) tout en epectant la condition de convegence définie pa Lyapunov [9]. Comme la fonction de Lyapunov et une fonction calaie V(x) > pou le vaiable d état du ytème, la loi de commande doit faie décoîte cette fonction : V ( x), l idée et de choii la fonction calaie S(x) pou gaanti l attactivité de la vaiable à contôle ve a valeu de éféence et de concevoi une commande u(t) tel que caé de la uface coepond à une fonction de Lyapunov. V ( x) S ( x) (6) et a déivée S( x) S ( x) (7) Un mode de gliement idéal coepond à une commande qui commute à une féquence infinie o il n exite aucun ogane de commande pouvant éalie cette opéation. Malgé le difféent avantage de la commande pa mode de gliement, on utiliation a été entavée pa un inconvénient majeu lié au phénomène de éticence (chatteing) (figue 4). ŷ

5 Communication Science & technology N 4. Januay 4 COST Fig.4 Mode de gliement avec éticence. Ce phénomène et une conéquence natuelle du compotement dynamique éel de l enemble actionneu ytème à commande. La éticence peut povoque une détéioation anticipée de l ogane de commande ou excite de dynamique haute féquence non conidéée dan la modéliation du ytème. Aini, nou allon cheche pa difféente méthode à limite ce phénomène. Une appoche conite à emplace la fonction igne pa une fonction plu lie. B. Obevateu du flux pa mode gliant Le modèle dynamique de la machine aynchone [] (),(), avec obevateu, peut e éécie ou la fome u ytème d équation difféentielle uivant (8) : di d R L i m i q dt L d d L L di q R L L m m i i d q d dt L L L L L d Lm i A u dt d d d ( -) q d Lm iq q A u d dt d -( -) j A A A pou i =, et j =, ou i i i L m L L q L V d A u q V q A u L (8) A A A, A A A, u ign ) ign( ) t Le vecteu d eeu: e avec S I (, S ( y yˆ ) I et la uface de gliement et donnée pa la elation (9) : S ( y yˆ ) y (9) En définiant la function de Lyapunov V et a déivée : V S t S ()

6 Communication Science & technology N 4. Januay 4 COST t S I V () Noton que d/dt =. Apè quelque manipulation intemédiaie, l expeion de la déivée V devient : Définion: A, A u () t t V S A S t S A (3) avec A (4). STRUCTURE GLOBALE DE LA COMMANDE ET DE L OBSERVATION DE LA MAS La figue, illute la tuctue de la tatégie globale de commande et d obevation utiliée. Le ytème de contôle et compoé de la tanfomation de la commande vectoielle indiecte, l onduleu MLI, l obevateu de flux avec mode gliant, et deux contôleu de couant de type PI, et le égulateu de vitee éalié pa la tatégie neuonale. Fig. Stuctue globale du ytème de contôle et d obevateu de la MAS Le ytème de contôle compae automatiquement la vitee de éféence * avec la vitee obevée du moteu qui et déduite à pati de flux. L enemble obevateu du flux en mode gliant avec le égulateu de vitee neuonal et appliqué à la machine en vue de paveni aux éultat ouhaité. La tuctue du éeau de neuone et obtenue apè pluieu eai de imulation L identification a été éaliée à l aide d un éeau de type Pecepton multicouche compotant une eule couche cachée de ix neuone, et une couche de otie ayant quant à elle un eul neuone. Le vecteu d entée et

7 Communication Science & technology N 4. Januay 4 COST contitué de l écat de vitee e, ente la vitee de éféence et la vitee meuée, aux intant ucceif kt e et (k-)t e. La otie du contôleu neuonal déigne le couant i* q à l intant kt e. Le éeau et entainé de manièe upevié, à l aide d un algoithme de étopopagation du gadient [7], qui pemet de éalie la mie à jou de difféent poid w j et biai w, u la bae de l eeu d appentiage. 6. RÉSULTATS ET INTERPRÉTATIONS Pou tete l efficacité de la tatégie de commande et d obevation popoée, nou avon pocédé à la imulation numéique de l enemble obevateu-commande-machine. Le tet ont effectué pou la machine aynchone ayant le paamète éumé en annexe. La figue 6, monte le épone du ytème pou une conigne de vitee de [ad/ec] avec application et élimination d une chage de N.m à t= et t=. epectivement. On note le ejet apide de petubation de la chage avec une eeu négligeable à l'état d'équilibe, le épone illutée u le figue de vitee, couple électomagnétique, couant tatoique et flux otoique, confiment le ejet de petubation de chage pa la tatégie de commande popoée, apidement avec un taux de dépaement acceptable et une eeu tatique nulle. La figue 7 epéente l influence de la vaiation de la vitee u la commande et l obevateu, nou avon appliqué un benchmak avec de difféente valeu de vitee allant de ad/ à - ad/. On contate que la vitee e tabilie effectivement au tou de la valeu de éféence déiée avec de petit dépaement, en plu le couant et maintenu à a valeu admiible, le découplage et obtenu ente le flux otoique et le couple électomagnétique C em, auant un découplage pafait. L étude de éultat met claiement en évidence que la commande popoée (égulateu+obevateu) péente de pefomance tè atifaiante, la vitee etimé uit l évolution de la vitee éelle avec un dépaement acceptable et une eeu d etimation de vitee otoique nulle, ce qui pemet de conclue que la tatégie de commande enviagée et table en bae vitee. Vitee [ad/] Couant tatoique id [A] éf me et -.. Couant tatoique iq[a] Couple électomagnétique [N.m].. Couant tatoique ia [A].. temp [] Flux otoique q [Wb] Flux otoique d [Wb].. temp [] Fig.6 Démaage à vide avec application et élimination de la chage à t= et t=.

8 Communication Science & technology N 4. Januay 4 COST Vitee [ad/] Couant tatoique id [A] éf me et Couant tatoique iq[a] Couple électomagnétique [N.m] Couant tatoique ia [A] temp [] Flux otoique d [Wb] Flux otoique q [Wb] temp [] Fig.7 Démaage à vide et avec changement de en de otation à t=.3,.7,., 3.8 et CONCLUSION Nou nou omme intéeé dan cette étude aux poblème de commande neuonale an capteu avec obevateu obute du flux otoique pa mode gliant. Ceci et aocié à une commande vectoielle de type IFOC. La vitee et déteminée pa un etimateu et contôlée pa un égulateu neuonal. Le benchmak utilié dan cette étude, a été défini pou valide le algoithme de commande an capteu de la machine aynchone et donc de l obevation de gandeu mécanique dan de tajectoie difficile définie elon de containte indutielle. Le tajectoie de éféence du benchmak, péente pa la figue 7. Le éultat de imulation montent l appot ignificatif de pefomance de la tatégie de commande an capteu popoée pou un entaînement électique baée u la commande neuonale et l etimation pa mode gliant y compi dan le condition de fonctionnement de bae vitee du moteu. Le objectif de pouuite ont atteint de façon atifaiante, ce qui offe à la commande popoée une lage application dan le domaine de l entainement électique. Cette technique pemet d augmente conidéablement la capacité et le pouvoi de la commande en éliminant le limite de tatégie de commande linéaie. ANNEXE Paamète nominaux du moteu aynchone tiphaé. kw, tiphaé, /38 V,./6. A, Hz, 4 pôle, 4 t/mn. R = 4.8, R = 3.8, L =.74 H, L =.74 H, Lm =.8 H, J =.3 kg.m, f =.4 kg.m/ec. NOTATIONS UTILISEES x d et x q : Compoante de la gandeu x dan le epèe (d-q). x et x :Compoante de la gandeu x dan le epèe (-). v a,b,c et v a,b,c : Tenion de phae (tato et oto).

9 Communication Science & technology N 4. Januay 4 COST i a,b,c et i a,b,c : Couant tatoique et otoique de phae. : Flux. R : éitance du tato. R : éitance du oto. L : inductance cyclique du tato. L : inductance cyclique du oto. L m : inductance mutuelle. J : moment d inetie de la machine. F : coefficient de fottement intene de la machine. : vitee mécanique. éf : Vitee de éféence. : Pulation électique tatoique : Pulation électique otoique. σ : coefficient de dipeion ; σ=-l m /L L. T : Contante du temp otoique ; T =L /R. REFERENCES [] L.O. Pete-Contee, Vaiateu de vitee indutiel pou moteu aynchone de gande puiance, Thèe de Doctoat, INPT, Univeité de Touloue, 996. [] J. Holtz, Method fo peed enole contol of AC dive, in Senole Contol of AC Moto, IEEE Pe Book, 996. [3] Tien Chi Chen and Tong Teng Shen, Model efeence neual netwok contolle fo induction moto peed. IEEE Tan enegy conveion. Vol 7 N, 4, pp [4] M. Bouak, K. Jaay A High-Pefomance Senole Indiect Stato Flux Oientation Contol of Induction Moto Dive, IEEE Tanaction on Indutial Electonic, vol. 3, n, Febuay 6, pp [] A. Benchaib, A. Rachid and E. Audezet, Sliding-mode input-output lineaization and field oientation fo eal-time contol of induction moto, IEEE Powe Electonic, Vol.4,pp.3-3, Januay [6] C.M. Liaw, Y.S. Kung and C.M. Wu Deign and implementation of a high-pefomance field-oiented induction moto dive, IEEE Tan. Ind. Electon.,vol.38,4,pp.7-8,99. [7] K.S Naenda, Neual netwok fo contol: Theoy and pactice. Poceeding of the IEEE, 996, pp [8] A Mechenene, Commande Neuo Floue Adaptative pou la Regulation de Vitee d un Moteu Aynchone, Magite, ENSET-Oan, 8. [9] Z. Zhang, H. Xu and L. Xu, Senole diect field-oiented contol og thee-phae induction moto baed on lidingmode fo wahing machine dive application, IEEE Tanaction on Induty Application. Vol.4, no.3,,pp.694-7, May-June 6. [] N. Benhai, M. Zeikat, S. Chekoun and A. Mechenene Deign and Analyi of a New Fuzzy-Sliding Mode Obeve fo Speed Senole Contol of Induction Moto Dive, Intenational Review of Electical Engineeing (I.R.E.E), Vol. 7,n,pp.76 Sep-Oct.