TP - S2I Centre d intérêt N 4 : prévoir et vérifier les performances des systèmes linéaires continus invariants. TP «Ericc 4» ROBOT ERICC

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1 TP «Ericc 4» ROBOT ERICC 0. Objectifs du TP Documents à disposition - le dossier d étude (disponible ci-après) comprend les activités à mener pendant la durée de cette séance de travaux pratiques - le dossier ressource (disponible sur le réseau à préciser) comprend l ensemble des données disponibles sur les éléments (moteurs, capteurs, etc.) de tout ou partie des chaînes fonctionnelles présentes sur ce système - le dossier technique (disponible sur le réseau à préciser) comprend des données utiles pour les mesures via le logiciel et les interfaces électroniques associées au TP Présentation de l activité Secteur d activité du matériel étudié dans ce TP : robotique, secteur déplacement et assemblage de pièces mécaniques, soudage Support : robot ERICC3, à structure SCARA Thème : analyse fonctionnelle, modélisation, identification au point de fonctionnement analyses des performances Références au programme : analyse fonctionnelle, structure de la commande d axe, modélisation du comportement au voisinage d un point de fonctionnement, linéarité et analyse des performances (stabilité, précision..) Lycée Saint-Louis -1-44, Bd St-Michel PARIS VI

2 Le triptyque proposé ci-après montre les trois domaines d étude d un système. Le système étudié correspond à un système complet en situation d usage, en ce sens qu il ne s agit pas uniquement d une commande d axe extraite de son environnement. Seul l environnement, pour notre activité le laboratoire, en temps normal un atelier, est différent. Valider DOMAINE INDUSTRIEL Valider Adapter DOMAINE DU LABORATOIRE Les objectifs des activités proposées ci-après sont : De valider le modèle proposé Valider Valider Performances mesurées sur les matériels instrumentés du laboratoire OBJECTI F CLIENT De valider les performances du modèle proposé par rapport à celles du système réel De valider les performances du système du laboratoire par rapport à celles du système réel. 1. Présentation du système (45 minutes maximum) 1.1. Évocation du problème (le besoin) Valider Modéliser DOMAINE DE LA SIMULATION Modéliser Performances estimées par simulation ou par calcul Le diagramme des prestations ci-dessous (parfois appelé «bête à cornes») permet de décrire le besoin d un robot industriel dans un contexte bien précis : Industrie concernée Matière d oeuvre Robot industriel Placer l extrémité du robot très précisément avec une excellente répétabilité Lycée Saint-Louis -2-44, Bd St-Michel PARIS VI

3 1.2. Présentation de l'objet technique réel en situation d usage. Les robots 5, 6 (voire plus) axes (déplacement d objets, mise en place de pare-brise, soudage, etc..) sont des systèmes très présents dans l industrie : automobile, aéronautique, conditionnement, On se propose ici d étudier une commande d axe de ce type de robot au travers d un robot 5 axes de chez ABB. Prendre connaissance du fichier résumé sur les outils de l analyse fonctionnelle et sur la structure des chaînes fonctionnelles Fichier Outils de l analyse fonctionnelle.pps disponible sur le réseau, dans le dossier ressource (RESSOURCES\SII\Travaux Pratiques\Outils de l'analyse fonctionnelle) ACTIVITÉ 1 Visionner la vidéo pour observer particulièrement le fonctionnement du robot IRB 2000 de chez ABB sur un poste en réseau (il faut pour cela se connecter sur un ordinateur Dell et lire le fichier correspondant situé dans le dossier «vidéos TP» du répertoire Commun\Ressources\SII). Il n est pas nécessaire de regarder la vidéo entièrement, il suffit de repérer le moment intéressant pour l application qui nous intéresse. Analyse fonctionnelle externe Préciser le besoin et la fonction assurée globalement par ce système (diagramme des prestations, aussi connu sous le nom de «bête à corne»). Analyse fonctionnelle interne Mettre en place le diagramme SADT de niveau A-0 de ce système : on précisera particulièrement les contrôles, partie supérieure du bloc. Lycée Saint-Louis -3-44, Bd St-Michel PARIS VI

4 1.3. Présentation du matériel instrumenté, support de l étude. La structure générale du robot est précisée sur le dessin de la figure ci-dessous. Axe 3 Axe 2 Axe 5 Axe 4 Axe 1 étudié Le robot est composé de cinq commandes d axes indépendantes : seule la commande d axe en lacet (mouvement de rotation de la chaise par rapport au socle) sera étudiée dans ce TP. Les applications industrielles de ce robot imposent un positionnement très précis avec une excellente répétabilité et une rapidité d éxécution omniprésente. Prenons l exemple d un robot de chez ABB mettant en peinture une Twingo. Le frontière d étude sera l'ensemble {Robot Pistolet de peinture Partie commande}. Extrait du Cahier des Charges Fonctionnel du robot Ericc3 en situation réel. FS Critères Niveaux Flexibilité (optionnel) FS1 C11 : précision du positionnement 0,1 minimale Déplacer C12 : capacité de charge 5 kg charge maximale la chaise / socle C13 : stabilité et amortissement Marge de phase 45 minimum Dépassements transitoires 0% aucun C14 : rapidité 0,05s Maximum ACTIVITÉ 2 Préciser les contraintes imposées par l environnement réel par rapport au laboratoire. Conclure quant à la cohérence et aux limites de la «réduction» réel instrumenté. Lycée Saint-Louis -4-44, Bd St-Michel PARIS VI

5 1.4. Observation du matériel instrumenté en fonctionnement. Partie opérative (chaîne d action) La partie opérative du robot (système mécanique articulé) est composée de cinq parties principales indiquées sur la figure. Les liaisons entre ces différentes parties (ou segments) sont limitées dans leur amplitude de mouvement en fonction notamment de leur construction (en «chape» ou en «porte à faux»). L entraînement est réalisé par une motorisation placée au niveau des articulations. Les articulations sont réalisées à l'aide de liaisons assimilables cinématiquement à des pivots Les moteurs sont dimensionnés de manière décroissante, le premier moteur (axe de lacet étudié ici) devant entraîner l ensemble en aval et le dernier uniquement la pince. Partie commande L'entrée des consignes de positionnement angulaire des différents moteurs s'effectue à partir d'un ordinateur comportant un logiciel de simulation pilotage, interfacé avec la commande des moteurs : La carte d'interface analogique numérique entre l'ordinateur et l'électronique de commande des moteurs permet en «temps réel» : de transmettre les consignes calculées par l'ordinateur vers chacun des axes commandés, d'acquérir les différentes mesures de position, de vitesse et de couple pour les visualiser. Le fonctionnement de la commande de cet axe peut-être analysé par le schéma FAST ci-après. FAST Déplacer la chaise /socle Mesurer la position angulaire Codeur incrémental compteur associé Acquérir la consigne et les réglages Interface homme machine logiciel transfert Calculer la commande Carte de commande Distribuer l énergie Variateur associé Transformer l énergie Moteur à courant continu Transmettre le mouvement Système poulie-courroieréducteurliaisons Mesurer la vitesse angulaire Génératrice tachymétrique ACTIVITÉ 3 Mise en route du système Mettre sous tension le boîtier de commande, bouton à l arrière. Appuyer sur le bouton Marche du boîtier de commande. Cliquer sur l icône Ericc3. Initialiser le robot par une prise d origine : Robot Déplacement manuel Prises d origine : les angles de lacet, d épaule, de coude et d inclinaison du poignet s initialisent par des mouvements contrôlés du robot ; répondre OK quand c est terminé. Lycée Saint-Louis -5-44, Bd St-Michel PARIS VI

6 Finir l initialisation en asservissant l axe rotation pince : cliquer sur l icône pince dans la rangée d icône (c est le troisième en partant de la droite) ; le mot de passe est Préciser les types d énergies présentes dans ce système ; repérer les connexions associées Synthèse : analyse fonctionnelle ACTIVITÉ 4 Grâce aux documents fournis (SADT A0 par exemple), identifier les différents éléments mis en évidence par le document de présentation des chaînes fonctionnelles (tous ces éléments peuvent ne pas exister sur ce système) pour la chaîne fonctionnelle étudiée : axe 1. Le document sur les chaînes d énergie, d action et d information (normalisé) permet de décomposer de manière complète la structure l asservissement : compléter ce document. 2. Modélisation (15 minutes maximum) 2.1. Éxpérimentation Pour des raisons «pédagogiques» de mise en évidence des problèmes, on va travailler sur l axe «épaule» placé entre la chaise et le bras. On obtiendrait les mêmes conclusions sur les autres axes, mais celui a l avantage d être dans une position particulièrement influencée par les perturbations extérieures. On reviendra par la suite à l étude de l axe de lacet. Fermer la fenêtre «Déplacement manuel» et l ouvrir de nouveau (Robot Déplacement manuel) : vérifier que tous les angles (lacet, épaule, etc.) sont accessibles. On va maintenant étudier la commande de l axe de lacet du robot. Pour tous les essais on choisira : Amplitude : 30 Durée : 3000 ms Nombre de points : 400. et on gardera la correction proposée par défaut. Essai 1 Par un pilotage manuel, placer le robot en position verticale (l ensemble pointe vers le plafond du laboratoire) : pour cela, choisir 90 pour les axes d épaule et de coude et 0 pour tous les autres. Quand ceci est fait (l ordre est important!), faire les opérations suivante : - choisir «fichier» puis «nouvelle mesure temporelle» puis «mesure» puis «échelon en boucle fermé». - cocher la case «mettre l axe à zéro avant la mesure» ; les autres cases ne doivent pas être cochées. - observer l allure de la réponse temporelle : noter tout ce qui pourra être utile (valeur finale atteinte, allure de la courbe, présence d oscillations, allure de l évolution au départ, le temps de réponse à 5 %, etc.). Essai 2 Par un pilotage manuel, placer le robot en position horizontale (le bras est tendu horizontalement, parallèlement à la table sur laquelle est fixé le robot) puis refaire le protocole d essai dans cette position. Essai 3 Refaire une initialisation et laisser le robot dans la position atteinte à la fin de cette procédure puis refaire le protocole d essai avec le bras dans cette position. ACTIVITÉ 5 La consigne est-elle atteinte dans les trois cas? Estimer l écart valeur consigne valeur atteinte. Lycée Saint-Louis -6-44, Bd St-Michel PARIS VI

7 Quelle est la perturbation principale sur ce système? Est-elle constante quelle que soit la position angulaire de l axe de lacet? qu en serait-il pour l axe d épaule? Pour quelle situation (positions angulaires des axes du robot) cette perturbation peut-elle être considérée comme maximale? Que peut-on dire de l influence de cette perturbation dans le cas de l axe de lacet? Pour toute la suite, on va travailler uniquement sur l axe de lacet Sur le robot Ericc 3, la non linéarité de la commande (cette dernière étant toujours observée en pratique) est la plus facile à étudier (mais elle n est pas la seule!) : sur ce système, le préactionneur commande le moteur (soit l actionneur) en intensité, donc en couple, ce qui n est pas la méthode la plus courante (c est la tension sur les deux autres systèmes). Lors du protocole expérimental précédent, il est possible de tracer la courbe d intensité d alimentation du moteur sur laquelle une éventuelle saturation peut être observée. ACTIVITÉ 6 En fonction des relevés effectués lors des deux essais précédents, valider la non linéarité du comportement de l axe de lacet. Refaire éventuellement un essai pour valider cette non linéarité. Il existe trois non linéarités classiques : le seuil, l hystérésis et la saturation : donner la ou les non linéarités mises en évidence par les essais précédents Identification Le diagramme SADT met en évidence une structure bouclée. L analyse de ce qui a été fait jusque là permet de justifier la présence d un asservissement, pas forcément linéaire..., sur l axe considéré. On se propose maintenant de mettre en place un schéma-bloc topo-fonctionnel de la commande d axe. Un tel schéma regroupe trois informations : le matériel, la fonction assurée par celui-ci et, par la structure du schéma mis en place, la position de ce matériel dans l asservissement étudié. ACTIVITÉ 7 À l aide du SADT donné en annexe et des études et essais précédents, proposer un schéma bloc «topo-fonctionnel» de la commande d axe du bras. Chaque bloc sera représenté comme ci-dessous. entrée Nom du matériel sortie Fonction réalisée Indiquer sur ce schéma fonctionnel l arrivée énergétique (12 V continue) et la perturbation. Pour la suite, on vous propose un modèle de cette commande d axe sous forme de schéma-blocs. 3. Validation La vérification du modèle consiste à effectuer une simulation à l aide du logiciel Did Acsyde, puis à effectuer des essais sur le système réel ; la comparaison des résultats permettra de voir si la modélisation (effectuée au voisinage d un point de fonctionnement) est correcte. On remarque que pour des écarts importants entre la valeur de la consigne et la position atteinte, le phénomène de saturation de tension se produit : la courbe de réponse obtenue ne peut pas dans ce cas être assimilée à celle d un système du second ordre. Pour contourner ce problème, et réaliser néanmoins une comparaison entre le système réel et le modèle, on peut : - soit en simulation avec Did acsyde placer un bloc «saturation» Lycée Saint-Louis -7-44, Bd St-Michel PARIS VI

8 - soit demander au système réel d effectuer un échelon de faible amplitude 3.1. Comparaisons Étude des performances sur le système du laboratoire Pour réaliser cette étude, on placera le robot en position verticale (l ensemble pointe vers le plafond du laboratoire) : pour cela, choisir 90 pour les axes d épaule et de coude et 0 pour tous les autres après avoir réaliser une prise d origine. Pour réaliser les essais qui suivent (l ordre est important!), faire les opérations suivante : - choisir «fichier» puis «nouvelle mesure temporelle» puis «mesure» puis «échelon en boucle fermé». - cocher toutes les cases sauf «mettre l axe à zéro avant la mesure». Faire un essai en échelon sur l axe de lacet du robot, de la position 0 à la position 30, avec la valeur de Kp de 10 6, et la valeur 0 pour Ki et Kd. ACTIVITÉ 8 Vérifier qu il y a bien un phénomène de saturation. Noter les résultats des valeurs de dépassement, t 5%, période des oscillations éventuelles (faire un tableau récapitulatif des résultats obtenus). Faire un essai en échelon sur l axe lacet, de la position 0 (prise d origine) à la position 2, avec la valeur de Kp de 10 4 (les coefficients Ki et Kd sont nuls). ACTIVITÉ 9 Vérifier qu il n y a pas de phénomène de saturation. Noter les résultats des valeurs de dépassement, t 5%, période des oscillations éventuelles (consigner ces valeurs dans le tableau récapitulatif précédent). Étude des performances du modèle à l aide d une simulation À l aide du logiciel de simulation DID ACSYDE, ouvrir le fichier «rob3.sch» situé dans commun\ressources\sii\tp\tp robot Ericc3. ACTIVITÉ 10 Valider les différentes fonctions de transfert (sauf celle du hacheur) du schéma-bloc fourni en annexe avec celui de ce fichier DID ACSYDE en sachant que le temps d échantillonnage est de 2 ms. Réaliser deux analyses temporelles (réponse indicielle) avec : L affichage de la courbe de variation de l angle th de déplacement du bras gain proportionnel Kp=10 6 (échelon de 30 ) puis 10 4 (échelon de 2 ) la valeur 0 pour Ki et Kd Prendre une valeur de saturation «sat» de 20 V (les données à introduire sont les coordonnées du point de cassure de la courbe de saturation). ACTIVITÉ 11 Observer le phénomène de saturation. Existe-t-il dans le deuxième cas. Si oui expliquer la raison et que faut-il faire pour se placer dans des conditions similaires au deuxième essai du système réel? Noter les résultats des valeurs de dépassement, t 5%, période des oscillations éventuelles dans les deux cas (faire un tableau récapitulatif des résultats obtenus pour les deux essais). Lycée Saint-Louis -8-44, Bd St-Michel PARIS VI

9 3.2. Conclusions Comparaison réel / modèle Si les relevés expérimentaux correspondent à ceux obtenus en simulation, c est que le modèle choisi est correct. Sinon, il faut revenir sur les hypothèses qui ont été faites pour établir un nouveau modèle. ACTIVITÉ 12 Comparer les résultats obtenus en simulation avec ceux obtenus sur le système réel et conclure. Situation de fonctionnement la plus défavorable Pour réaliser le réglage de la correction, le robot devra fonctionner dans la situation la plus défavorable d un point de vue stabilité. ACTIVITÉ 13 Préciser la situation de chargement la plus défavorable pour la stabilité du système. On se placera pour toute la suite dans cette situation. Étude des performances du modèle à l aide d une simulation pour le réglage optimal du correcteur À l aide du logiciel de simulation DID ACSYDE, ouvrir le fichier «rob31.sch». Pour ce fichier la fonction de transfert du moteur prend en compte cette situation la plus défavorable (prise en compte de la perturbation). ACTIVITÉ 14 Analyser les différentes performances pour ce réglage à l aide d une analyse temporelle et d une analyse fréquentielle. L analyse fréquentielle se fera en boucle ouverte (Analyse transfert boucle, point «bo» et non th comme proposé en sortie) puis tracer le diagramme de Black et/ou les diagrammes de Bode du système en boucle ouverte. On utilisera la marge de phase pour étudier la stabilité : On appelle «marge de phase» la valeur Mϕ = 180 ϕ (ω 1 ) où ω 1 est la pulsation pour laquelle le gain vaut G(ω 1 ) = 1 soit en décibels GdB(ω 1 ) = 0. (G(p) est la fonction de transfert en boucle ouverte, G(ω) son gain et ϕ (ω) sa phase). Pour que le système en boucle fermée soit stable, il faut que Mϕ soit positive. Par sécurité, le cahier de charges impose même généralement qu elle soit supérieure ou égale à 45. Étude des performances du système pour le réglage optimal du correcteur (valeurs par défaut) ACTIVITÉ 15 A l aide d une analyse temporelle et d une analyse fréquentielle faites à partir d essais sur le système, valider ou les performances proposées par le cahier des charges. Lycée Saint-Louis -9-44, Bd St-Michel PARIS VI

10 Schéma-bloc N 1 SYSTÈME ERICC3 SYSTÈME ERICC 3 Consigne en points Écart en points Commande en points Tension en Volt Vitesse de rotation du moteur en rad/s Rotation de l axe moteur en radians Consigne en degré 10 6 Kp Ki C 2 (p) = Te. p Codeur 12 bits Régulateur PI (numérique) Régulateur PD (numérique) 4 Amplification module de saturation à ± 20 V* CNA amplificateur de puissance avec saturations Kp.Kd.Te C 3 (p) =.p Seuil de la tension du moteur ± 2 V 23,3 1 5, p Moteur à CC 1 p Angle de rotation de l axe de lacet en radians 0,003 Mécanisme de transformation de mouvement Mesure en points * Tension équivalente sur le moteur car, dans ce système, on a une saturation en courant pour limiter les accélérations 4 Électronique de comptage Schéma bloc N π Codeur incrémental 500 fentes par tour Angle de rotation de l axe en degrés 180 π Conversion radians / degrés Écart en degrés Commande en points Tension en Volt Vitesse de rotation du moteur en rad/s Angle de rotation de l axe en radians Consigne en degré Codeur 12 bits C eq (p) Régulateur PID (numérique) 4 Amplification module de saturation à ± 20 V CNA amplificateur de puissance avec saturations Seuil de la tension du moteur ± 2 V 23, ,1.10. p Moteur à CC 1 p π Mécanisme de transformation de mouvement Angle de rotation de l axe en degrés Lycée Saint-Louis , Bd St-Michel PARIS VI