Analyse et synthèse du système de commande d’un détendeur électroniquepour applications spatiales

Analysis and control design of an electronically controlled gas pressure reducer for space applications

• Auteur / Autrice : Flavien Deschaux
• Direction : Yassine Ariba, Frédéric Gouaisbaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 10/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Sophie Tarbouriech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yassine Ariba, Frédéric Gouaisbaut, Olivier Sename, Marc Jungers, Laurentiu Hetel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Sename, Marc Jungers
• DOI : 10.70675/5e73099az0fd7z4769z82a5za90776bbb38c

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande linéaire

Commande non linéaire

Mots clés libres

Expérimentation

Commande non linéaire

Détendeur électronique

Commande linéaire

Automatique

Actionneur électromagnétique

Linear control

Experiments

Control

Gas pressure reducer

Electromagnetic actuator

Nonlinear control

Résumé

La société CSTM et le CNES, direction des lanceurs, travaillent depuis plusieurs années sur le développement d'un détendeur de pression à commande électronique. Les détendeurs sont utilisés dans les lanceurs pour détendre l’hélium à partir de réservoirs à 400 bar vers des pressions de quelques bars à quelques dizaines de bars selon les utilisations. Les travaux présentés dans ce mémoire développent des lois de commande pour, d’une part asservir la position de la soupape de l'actionneur électromagnétique (AEM), et d’autre part, assurer la régulation de pression du détendeur.Après un rappel des principes de fonctionnement et d’asservissement des AEM dans le contexte industriel, une analyse du système existant et un travail de modélisation du détendeur sont proposés dans une première partie. Les mesures expérimentales ont permis de confronter et d’adapter le modèle issu des équations de la physique pour finalement obtenir un modèle réaliste du détendeur.La seconde phase de la thèse traite les problématiques liées à l’asservissement du détendeur, à savoir la commande de position de l’AEM et la commande de pression. A partir du travail de modélisation et d’analyse, différentes classes de lois de commande ont été étudiées. Étant donné les non-linéarités du modèle de l’AEM, une commande non-linéaire par backstepping a été synthétisée pour répondre au cahier des charges proposé. Concernant la régulation de la pression, une commande proportionnelle-intégrale, permet d’asservir la pression en aval du détendeur. Finalement, l’implémentation des lois de commande sur les moyens d’essais ont validé les développements réalisés.Cette thèse s'intéresse à une thématique de recherche appliquée. D'une part, un travail théorique sur l'analyse et la synthèse de lois de commande, sera basé sur la méthode de Lyapunov pour l'asservissement d'un système non-linéaire. Et d'autre part, l'aspect pratique sera développé en lien avec des campagnes d'essais expérimentaux permettant de confronter les modèles théoriques et de valider la méthodologie développée au cours de ces travaux.

CNES, launcher department, and CSTM have been working for several years on the development of an electronically controlled gas pressure reducer. Pressure reducer are used in launchers to release helium from tanks at 400 bar to pressures of a few bars to a few dozen bars depending on the use. The work presented in this thesis will develop control laws to, on the one hand, control the position of the valve of the electromagnetic actuator (EMA), and on the other hand, control the downstream pressure.After a reminder of the operating principle of EMA in industrial context, an analysis and a modelling work of the pressure reducer are proposed in the first part. Experimental measurements have allowed to compare and adapt the model resulting from physics equations to finally obtain a realistic model of the system.The second phase of the thesis deals with problems related to the control of the actuator, namely the EMA position control and the pressure control. Based on the modelling and analysis work, different classes of control laws were studied. Given the nonlinear features of the EME model, a backstepping nonlinear control have been designed to satisfy some specifications. Regarding the pressure control, a proportional-integral law is used to control the pressure downstream at the output of the pressure reducer. Finally, the implementation of control laws on the testbench validated the developments.This thesis focuses on an applied research theme with, on the one hand, a theoretical work on the analysis and the control laws design based on Lyapunov method for the control of a non-linear system. On the other hand, the practical aspect with experimental tests compares theoretical models and validate the methodology developed during this work.