FR2891585A1 - Dispositif de correction de commande d'un moteur d'actionnement a debattement limite, notamment un moteur-couple pour l'actionnement d'une vanne de recirculation de gaz d'echappement - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de correction de commande d'un moteur d'actionnnement 1 comprenant une boucle d'asservissement comportant des organes de correction de commande (11, 14, 17), reliés à des organes d'élaboration de gains (4, 5, 6) pour élaborer des gains en fonction d'au moins un paramètre de gain choisi dans le groupe comprenant une dérivée d'un signal de consigne, un signal d'erreur, et une dérivée du signal d'erreur.
Description
L'invention concerne un dispositif de correction de commande d'un moteur
d'actionnement à débattement limité, notamment un moteur-couple pour l'actionnement d'une vanne de recirculation de gaz d'échappement (ci-
dessous dénommée vanne RGE).
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Une vanne RGE est disposée sur une dérivation de la tuyauterie d'échappement d'un moteur thermique pour permettre l'admission dans les cylindres du moteur ther- mique d'une certaine quantité de gaz d'échappement de façon à faire baisser la température de pointe atteinte lors de la combustion dans les cylindres et ainsi diminuer la production d'oxydes d'azote. La vanne est en général actionnée par un moteur électrique.
La vanne RGE subit une différence de pression entre l'amont et l'aval de la vanne qui peut se révéler importante. Le moteur électrique est en général dimensionné pour contrer la différence maximale de pression tout en disposant d'une marge pour permettre l'actionnement ef- fectif de la vanne à l'encontre de cette différence de pression. Typiquement, 80% du couple moteur est consommé pour contrer la différence maximale de pression; il reste alors 20% pour effectuer l'actionnement effectif de la vanne.
On sait que ce type de dimensionnement conduit à des actionnements rendant délicat le contrôle de la position de la vanne.
On connaît des dispositifs de commande d'un moteur d'actionneur de vanne RGE comportant une boucle d'asservissement principal assurant un calcul d'une con-signe de position de la vanne en fonction d'un débit souhaité à travers la vanne, et une boucle de correction de commande recevant en entrée une erreur de position entre la consigne de position et une position réelle de la vanne, et un organe de correction de commande à gain fixe pour fournir en sortie un signal de commande du moteur. L'expérience a montré que ce type de régulation laissait subsister des anomalies de fonctionnement gênantes, en particulier une instabilité lors d'une forte variation de la consigne de position ou une vitesse de réaction trop faible pour des petites variations de la consigne.
OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet un dispositif de correction de commande améliorant les performances des disposi- tifs existantes.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, on propose selon l'invention un dispositif de correction de commande d'un moteur d'actionnement comprenant une boucle d'asservissement comportant au moins un organe de correction de commande fournissant un signal de commande à par-tir d'un signal d'erreur résultant d'une différence entre un signal de consigne et un signal de mesure, le dispositif de correction de commande comportant un organe d'élaboration de gains pour élaborer un gain de l'organe de correction de commande en fonction d'une valeur d'au moins un paramètre de gain choisi dans le groupe comprenant: une dérivée du signal de consigne, le signal d'erreur, et une dérivée du signal d'erreur.
Il est ainsi possible d'adapter le fonctionnement du dispositif de correction de commande aux diverses situations pouvant survenir lors du fonctionnement, et de compenser les anomalies pouvant résulter de situations particulières.
En particulier, plus la valeur d'au moins un paramètre de gain est haute et plus un gain correspondant de l'organe de commande est bas. Selon une observation qui fait partie de l'invention on a en effet constaté qu'une diminution du gain pour une erreur élevée amélio- rait la stabilité en diminuant l'effet de pompage tandis qu'un gain élevé pour une erreur faible permettait de compenser les frottements secs et la non-linéarité de l'équipement dont l'actionnement est commandé par le moteur.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention l'élaboration de gains est effectuée à partir d'une combinaison d'au moins deux paramètres de gain choisis pour procurer tout à la fois une bonne stabilité et une bonne dynamique du signal de commande. On améliore ainsi le comportement global du dispositif de correction de commande et sa résistance aux perturbations ponctuel-les.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit en référence aux figures des des- sins annexés parmi lesquelles: - la figure 1 est un schéma global d'un dispositif de correction de commande selon l'invention comportant trois correcteurs PID en cascade.
- la figure 2 est une vue de détail du deuxième correcteur PID, -la figure 3 est un schéma global analogue à ce-lui de la figure 1 pour une variante de réalisation. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le dispositif de cor-rection de commande selon l'invention est illustré en relation avec une vanne RGE non représentée, reliée à un moteur-couple 1 qui, avec le dispositif de correction de commande selon l'invention, est intégré de façon connue en soi à une boucle de régulation de débit délivrant une consigne de position z de la vanne à l'entrée du dispositif de correction de commande.
Le moteur-couple 1 d'actionnement de la soupape déplace cette dernière en réponse à une tension de corn- mande V qui est déterminée, en fonction de la consigne de position, à l'aide du dispositif de correction de commande.
La position réelle x de la vanne est mesurée par un organe de mesure de position 2 qui fournit un signal de position mesurée x1/7e, (par exemple en mesurant la position angulaire du moteur électrique 1 qui est directement liée à la position de la vanne RGE). Le signal de posi- tion mesurée x,,,e, est fourni à l'entrée négative d'un soustracteur 3 dont l'entrée positive reçoit la consigne de position i. Le soustracteur 3 génère un signal d'erreur de position ex =i -xmeç . Par ailleurs, dans le mode de réalisation préféré illustré le dispositif de correction de commande comprend, successivement.
- un premier organe de correction de commande 11, ici, un correcteur proportionnel-intégral-dérivé (ci-après dénommé correcteur PID) avec, de façon connue en soi, un étage proportionnel, un étage intégrateur et un étage dérivateur, qui reçoit en entrée le signal d'erreur de position EX et qui fournit en sortie une consigne de vitesse de déplacement du moteur 1. Selon l'invention le premier organe de correction de commande 11 est relié à un organe d'élaboration de gains 4 qui reçoit en entrée une dérivée de la consigne fournie par un dérivateur 7, le signal d'erreur de position EX fourni par le soustracteur 3, et une dérivée du signal d'erreur de position fournie par un dérivateur 8.
La consigne de vitesse v est fournie à l'entrée positive d'un soustracteur 12, dont l'entrée négative re- çoit un signal de vitesse mesurée vines qui est obtenue par un dérivateur 13 qui reçoit le signal de position mesurée. Le soustracteur 12 génère ainsi une erreur de vitesse e = v- vn,e,.
- un deuxième organe de correction de commande 14, ici un deuxième correcteur PID 14 qui reçoit en entrée 2891585 5 l'erreur de vitesse e et qui fournit en sortie une consigne de courant i. L'organe de correction de commande 14 est relié à un organe d'élaboration de gains 5 qui reçoit en entrée une dérivée de la consigne de vi- tesse fournie par un dérivateur 9, le signal d'erreur de vitesse s, et une dérivée de l'erreur de vitesse fournie par un dérivateur 10. Le deuxième correcteur PID 14 et sa relation avec l'organe d'élaboration de gains 5 seront détaillés plus loin en relation avec la figure 2. La con- signe de courant i est fournie à l'entrée positive d'un soustracteur 15, dont l'entrée négative reçoit un signal de courant mesuré lmes déduit du signal de vitesse mesurée au moyen d'un modèle de moteur inversé 16 qui, à partir du signal de vitesse mesurée. Le soustracteur 15 génère ainsi une erreur de courant ; = Z lmes - enfin, un troisième organe de correction de commande, ici un troisième correcteur PID 17 qui reçoit en entrée l'erreur de courant ; et qui fournit en sortie la tension de commande V du moteur électrique 3. L'organe de correction de commande 17 est relié à un organe d'élaboration de gains 6 qui reçoit en entrée une dérivée du signal de consigne d'intensité fournie par un dérivateur 18, le signal d'erreur d'intensité ei et une dérivée de l'erreur d'intensité fournie par un dérivateur 19.
En référence à la figure 2, le deuxième correcteur PID 14 est de préférence constitué comme dans l'exemple de réalisation illustré faisant appel à la technologie numérique. L'entrée du deuxième correcteur PID 14 est la consigne de vitesse v. Dans ce qui suit, les diverses grandeurs considérées seront affectées d'un indice j pour désigner la valeur de la grandeur considérée à l'instant d'échantillonnage j.T où T est la période d'échantillonnage, et d'un indice j-1 pour désigner la valeur de la grandeur considérée à l'instant d'échantillonnage immédiatement précédent (j-1).T.
Le deuxième correcteur PID 14 comporte, de façon connue en soi, un étage proportionnel 20 générant un signal de sortie u1, un étage intégrateur 30 générant un signal de sortie v, et un étage dérivateur 40 générant un signal de sortie wl. Les signaux u, v1, w1 sont sommés par un sommateur 50 pour former la sortie du second correcteur PID 14, c'est-à-dire la consigne de courant lj Selon l'invention les différents étages du deuxième correcteur PID 14 ont des gains, respectivement Kp2, Ki2 et Kd2 qui sont élaborés par l'organe d'élaboration de gains 5 en fonction d'au moins un para-mètre de gain reçu en entrée par l'organe d'élaboration de gains 5,et de préférence en fonction d'une combinaison de ceux-ci de façon à améliorer tout à la fois la stabi- lité et la dynamique de la commande du moteur 1 en fonction des conditions d'utilisation. A titre d'exemple chacun des gains est élaboré selon une valeur haute ou une valeur basse en fonction d'une valeur des paramètres de gains pris en compte par rapport à un seuil prédéterminé en atelier en fonction des caractéristiques de l'équipe- ment auquel le moteur d'actionnement 1 est raccordé.
Selon un aspect de l'invention, à une valeur haute du paramètre de gain correspond une valeur basse du gain correspondant de l'organe de correction de commande.
Dans le cas d'une erreur élevée il a en effet été observé qu'il était préférable d'utiliser une valeur basse du gain pour éviter une variation trop brutale de la commande, tandis que pour une valeur basse de l'erreur il est préférable d'élaborer un gain de valeur haute pour compenser les frottements secs. Lors de l'élaboration du gain à partir d'une combinaison de paramètres de gain, il est tenu compte de l'influence relative de chacun des paramètres. A titre d'exemples: pour une valeur basse de l'erreur et de la dérivée de la consigne et une valeur basse de la dérivée de l'erreur un gain de valeur élevée est élaboré tandis que pour une valeur haute de l'erreur ou de la dérivée de la consigne et une valeur basse de la dérivée de l'erreur une valeur haute du gain est élaborée.
Des gains de valeur appropriée sont de préférence élaborés pour chacun des étages, le gain de l'étage proportionnel ayant pour fonction principale de rattraper les grandes erreurs, le gain de l'étage intégral ayant pour fonction principale d'affiner les petits écarts et le gain de l'étage dérivatif ayant pour fonction princi- pale de régler la dynamique et la stabilité du système.
L'étage proportionnel 20 comporte un multiplicateur 21 qui multiplie la consigne de vitesse par le gain Kp2.
=K r 2 Ev i L'étage dérivateur 40 comporte un multiplicateur 41 qui multiplie la consigne de vitesse par le gain Kd2 (qui intègre l'inverse de la période d'échantillonnage 1/T). L'étage dérivateur 40 comporte ensuite un soustracteur 42 qui reçoit à l'entrée positive la sortie du multiplicateur 41 et à l'entrée négative la sortie d'un opérateur de décalage 43 qui décale la sortie du multiplicateur 41 à l'instant d'échantillonnage immédiatement pré- cédent. La sortie de l'étage dérivateur vaut donc: w = Kd2 É .i-t É On reconnaît dans le terme entre parenthèses un 30 terme proportionnel à la dérivée numérique de la consigne de vitesse.
Quant à l'étage intégrateur 30, il comporte un multiplicateur 31 qui multiplie la consigne de vitesse par le gain d'intégration K1_2(qui intègre la période 35 d'échantillonnage T). La sortie du multiplicateur 31 forme l'une des entrées d'un sommateur 32.
En outre, l'étage intégrateur comporte un opérateur de décalage 33 qui décale le signal de sortie v pour fournir un signal égal au signal de sortie à l'instant immédiatement précédent v_l. Ce signal est fourni à un multiplicateur 34 qui procède à la multiplication de ce signal par un gain de filtrage K,2, de préférence compris entre 0 et 1. La sortie du multiplicateur 34 forme l'autre des entrées du sommateur 32. Le sommateur 32 génère alors le signal: KH'2 v1_1 + Kit É svj Enfin, la sortie du sommateur 32 est traitée par 15 un limiteur 35 qui: - lorsque le signal issu du sommateur 32 est inférieur à un seuil prédéterminé s2' renvoie le signal is-su du sommateur 32; - lorsque le signal issu du sommateur 32 est su-20 périeur au seuil prédéterminé s2, renvoie un signal écrêté à une valeur de saturation Vmax La sortie de l'étage intégrateur 30 vaut donc finalement, en notant symboliquement l'action du limiteur par des crochets: v= LKF2. v_, +K1.2 Éevj Il est à remarquer que le résultat habituel d'une opération d'intégration pure et numérique aurait été don30 né par la formule v =v_,+Ki2 sv;, dans laquelle: - v_, est la valeur de la sortie de l'étage inté- 2891585 9 grateur au temps immédiatement précédent; - K,2 É e,,j est l'incrément dû à l'intégration sur la période [(j-1)T, jT] de la consigne d'erreur de vitesse.
De même que précédemment, le gain de filtrage est élaboré par l'organe d'élaboration de gain 5 en fonction des paramètres de gains de façon à affiner la détermination du seuil à partir duquel l'erreur est considérée comme suffisamment faible pour ne plus être prise en compte dans la régulation de la commande.
Le résultat de l'opération d'intégration par l'étage intégrateur selon le mode de réalisation préféré de l'invention présente donc deux avantages: la limitation de la valeur de sortie de l'étage intégrateur qui permet d'éviter les réponses trop violentes qui conduiraient à des instabilités incontrôlables.
- le filtrage de la valeur initiale de l'intégration, qui, en réduisant l'effet de cette dernière, permet d'éviter les phénomènes de pompage inhérents à l'imbrication de la boucle de correction de commande dans une boucle de régulation principale à gain fixe.
Le premier correcteur PID 11 et le troisième cor-recteur PID 17 sont de préférence réalisés selon une structure identique ou analogue au second correcteur PID 14 afin d'obtenir les meilleures performances du dispositif de correction de commande.
L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit, mais bien au contraire englobe toute va- riante entrant dans le cadre défini par les revendications.
L'asservissement décrit peut être réalisé à l'aide de composants électroniques adaptés à la mise en oeuvre de tels asservissement, mais peut également être réalisé de façon purement logicielle à l'aide d'un calcu- lateur.
Bien que l'on ait indiqué que l'asservissement de l'invention comporte trois correcteurs PID en cascade, l'asservissement pourra être limité à un ou deux organes de correction de commande, les organes de correction de commande pouvant en outre être des correcteurs proportionnel intégral voir même de simples correcteurs proportionnels.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un organe d'élaboration de gain associé à chaque organe de correction de commande, on peut prévoir un organe d'élaboration de gains communs à plusieurs organes de correction de commande, voire même un seul organe d'élaboration de commande associé à l'ensemble des organes de correction de commande comme illustré par la figure 3 sur laquelle l'organe d'élaboration de gains 4 est commun aux trois organes de correction de commande 11, 14, 17.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec une élaboration de gains prenant en compte une corn- binaison de plusieurs paramètres de gain, on peut égale-ment réaliser l'invention en élaborant les gains à partir d'un seul paramètre de gain, ce qui simplifie les critères de détermination du gain. A l'inverse bien que l'invention est été décrite prévoyant seulement une va- leur haute et une valeur basse des gains pour chacun des étages, on peut prévoir d'augmenter le nombre de gains différents en fonction de plusieurs seuils des paramètres de gain, la correspondance entre les valeurs des paramètres de gain et les gains étant de préférence établie en atelier lors d'un calibrage de l'équipement auquel le moteur d'actionnement est raccordé.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec des paramètres de gain comprenant la dérivée première de la consigne ou la dérivée première de l'erreur on peut également utiliser des dérivées d'ordre supérieur 2891585 11 comme paramètres de gain en fonction des anomalies à corriger pour un équipement donné.
Claims (12)
1. Dispositif de correction de commande d'un moteur d'actionnement (1) comprenant une boucle d'asservissement comportant au moins un organe de correction de commande (11, 14, 17) fournissant un signal de commande à partir d'un signal d'erreur résultant d'une différence entre un signal de consigne et un signal de mesure, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un or- gane d'élaboration de gains (4, 5, 6) pour élaborer un gain dudit au moins un organe de correction de commande en fonction d'une valeur d'au moins un paramètre de gain choisi dans le groupe comprenant une dérivée du signal de consigne, le signal d'erreur, et une dérivée du signal d'erreur.
2. Dispositif de correction de commande selon la revendication 1 caractérisé en ce que plus la valeur d'au moins un paramètre de gain est haute et plus la valeur du gain correspondant est basse.
3. Dispositif de correction de commande selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élaboration d'un gain est effectuée à partir d'une combinaison d'au moins deux paramètres de gain.
4. Dispositif de correction de commande selon la revendication 3 caractérisé en ce que pour une valeur basse du signal d'erreur et de la dérivée du signal de consigne et une valeur basse de la dérivée du signal d'erreur, le gain correspondant est élaboré à une valeur élevée.
5. Dispositif de correction de commande selon la revendication 3 caractérisé en ce que pour une valeur haute du signal d'erreur ou de la dérivée du signal de consigne et une valeur basse de la dérivée du signal d'erreur le gain correspondant est élaboré à une valeur haute.
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6. Dispositif de correction de commande selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'au moins un organe de correction de commande est un correcteur PID.
7. Dispositif de correction de commande selon la revendication 6 caractérisé en ce que le correcteur PID comporte un étage intégrateur comprenant un limiteur (35).
8. Dispositif de correction de commande selon la revendication 7 caractérisé en ce que le limiteur (35) est associé à un organe de filtrage (34).
9. Dispositif de correction de commande selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'organe de filtrage (34) a un gain variable élaboré par l'organe d'élaboration de gain correspondant.
10. Dispositif de correction de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux organes de correction de commande (11, 14, 17) en cascade et en ce que ledit au moins un organe d'élaboration de gains (4) est commun à plusieurs desdits au moins deux organes de correction de commande.
11. Dispositif de correction de commande selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte un seul organe d'élaboration de gains (4) commun à tous les organes de correction de commande.
12. Dispositif de correction de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un organe d'élaboration de gains dédié (4, 5, 6) est associé à chaque organe de correction de commande (11, 14, 17).
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2005
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