Cours de Robotique 2 (GMEE 322)
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- Louise Roussel
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1 Université Montpellier 2 24 / 25 Faculté des sciences Département EEA Master 2 : Robotique Cours de Robotique 2 (GMEE 322) Cours 3 Commande robuste par mode glissant A. Chemori LIRMM - UMR 556 6, Rue Ada 3495, Montpellier Cedex 5, France chemori@lirmm.fr
2 Plan du cours. Introduction 2. Exemple introductif 3. Idée de base 4. Dynamique du système à commander 5. Dynamique de glissement 6. Dynamique de convergence vers la surface de glissement 7. La loi de commande o La commande équivalente o La commande discontinue o Loi de commande globale 8. Retour à l exemple (application de la commande discontinue) 9. Phénomène de réticence (chattering). Retour à l exemple (application de la commande globale). Quelle solution pour le problème de réticence? A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 2
3 Introduction Introduction Début des années 6 besoin de robustesse en aéronautique Découverte même avant l utilisation du terme robustesse : Les ingénieurs automaticiens cherchaient des lois de commande insensibles aux variations dans la système à commander La commande par mode glissant est relativement simple à implémenter (par rapport à d autres approches de commande) Elle fait partie des commandes dites à structure variable Elle s applique à la fois aux systèmes linéaires et aux systèmes non linéaires Robuste par rapport aux perturbations externes Robuste aussi par rapport aux incertitudes/variations des paramètres, etc Différentes applications : Régulation, poursuite de trajectoires, poursuite de modèle, observateurs, etc La commande par mode glissant est une suite logique de la commande discontinue (dans sa forme la plus facile : commande bang-bang) A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 3
4 Exemple introductif Exemple Introductif On considère le système mécanique suivant (masse-ressort-amortisseur) : La dynamique de ce système s écrit : : La masse : la position de la masse : Coefficient de raideur du ressort : Coefficient d amortissement : Force appliquée sur la masse On souhaite faire converger vers avec la commande Pour cela on considère la loi de commande suivante : A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 4
5 Exemple introductif On remplace cette loi de commande dans la dynamique système, on obtient : Si l on considère : La dynamique en boucle-fermée ci-dessus peut s écrire : Si on considère les états (position) et (vitesse) Cette dynamique peut être mis sous forme d équation d état suivante : C est un système autonome dont le comportement dépend de la condition initiale sur les états et des paramètres. A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 5
6 Position et vitesse Exemple introductif Simulation du comportement en boucle-fermée du système résultant pour : Pour ce choix de paramètres.8 Position Vitesse A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 6
7 Exemple introductif Si on trace le plan de phase du système en boucle-fermée on obtient : Point d équilibre Condition initiale x x La commande proposée amène le système au point souhaité MAIS la convergence est très lente! A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 7
8 Idée de base Idée de base o o L idée de base de la commande consiste en deux étapes : Amener le système sur un hyperplan de commutation stable (surface de glissement) Converger sur la surface de glissement vers le point d équilibre désiré 2 2 A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 8
9 Système à commander On considère le cas générale d un système non linéaire dont la dynamique s écrit : Dynamique du système à commander Avec deux fonctions non linéaires, avec L objectif de la commande est la stabilisation du système autour du point d équilibre : Dans la suite l approche de commande sera détaillée en se basant sur ce modèle non linéaire Néanmoins, elle reste valide pour les systèmes linéaires dont la dynamique s écrit : A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 9
10 Dynamique de glissement La dynamique de est stable pour : Dynamique de glissement Soit la variété : Donc : La dynamique de est stable si La variété est une surface appelée surface de commutation ou surface de glissement Sur la surface de glissement définie par est stable, donc converge vers, le déplacement est gouverné par La vitesse de convergence dépend de la valeur de Mais sur cette surface donc converge aussi vers L évolution sur la surface de glissement est indépendante de et Si au départ, le point initial n est pas sur la surface de glissement, il faudra amener le système sur cette surface A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25
11 Dynamique de convergence Dynamique de convergence vers la surface de glissement On a : Pour évaluer la stabilité, on considère la fonction de Lyapunov suivante : Stabilité asymptotique si : est définie positive est définie négative Étant donné que : donc est définie positive Calculons maintenant sa première dérivée : A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25
12 Loi de commande La lois de commande est définie négative si : est : La commande équivalente : Soit : La commande équivalente est définie par : est définie négative si : Pour quel choix de ceci est vérifié? A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 2
13 Loi de commande Cela est vérifié pour le choix suivant de : Pour ce choix on a : La commande discontinue : est définie négative car : La commande discontinue et le 2 ème terme de l expression de u, c.à.d : La commande globale : La commande proposée comporte deux termes : le premier correspond à une commande continue et le deuxième correspond à une commande discontinue. Commande équivalente (continue) Commande discontinue A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 3
14 Retour à l exemple Retour à l exemple On souhaite faire converger vers avec la commande On rappelle la dynamique du système : Qui peut s écrire sous la forme : avec : et La loi de commande par mode glissant s écrira donc : Avec : Si on considère le choix suivant des paramètres de la commande : donc : A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 4
15 Retour à l exemple Si on considère, dans un premier lieu, la commande discontinue uniquement : Évolution dans le plan de phase du système en B.F Point d équilibre Condition initiale Point d équilibre Condition initiale x 2 x x x (discontinue) Commande anticipative précédente ( Feedforward ) A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 5
16 Position et vitesse Position et vitesse Retour à l exemple Évolution des états du système en B.F.5 Position Vitesse.8 Position Vitesse (discontinue) Commande anticipative précédente ( Feedforward ) A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 6
17 Commande Commande Retour à l exemple Évolution de l entrée de commande Autour de 2 sec A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 7
18 Commande Phénomène de réticence Phénomène de réticence ( Chattering en anglais) Si on fait un zoom sur la commande autour de on obtient : Un mode glissant idéal n existe pas étant donné qu il nécessite une commande qui commute avec une fréquence infinie Dans un cas réel la commutation se fait pendant un temps de commutation + la constante de temps des actionneurs La discontinuité dans le commande produit un comportement dynamique particulier (cf. figure ci-dessus) autours de la surface de glissement, appelé phénomène de réticence ( Chattering en anglais) A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 8
19 Commande Retour à l exemple Retour à l exemple -. Application de la commande globale x Même avec la commande globale il y a toujours le phénomène de réticence x C est un des problèmes de la commande par mode glissant 5 Peut endommager les actionneurs! Quelle solution peut on envisager? A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 9
20 Solution du problème de réticence Quelle solution pour le problème de réticence? Afin d éviter le problème de réticence différentes solutions peuvent être envisagées : Solution : remplacer la fonction Sign + + Solution 2 : remplacer la fonction Sign + Sigmoïde + Solution 3 : Envisager la commande par mode glissant d ordre supérieur A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 2
21 Solution du problème de réticence Position et vitesse Commande Exemple précédent : Application de la solution utilisation de la fonction de saturation Position et vitesse Commande Quelle solution pour le problème de réticence?.8 Position Vitesse.6 Avec fonction saturation Avec fonction signe Position Vitesse x 2 x x Pas de réticence! x A. Chemori (Cours de Robotique 2 : GMEE 322) FdS, Dpt EEA Master 2 Robotique 24/25 2
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