Contributions à la commande basée sur les observateurs de perturbations : Application aux systèmes d'entraînement à vitesse variable avec moteurs synchrones

Contributions to Disturbance-Observer-Based Control : Application to Synchronous Motor-Based Variable Speed Drive Systems

• Auteur / Autrice : Yongchao Liu
• Direction : Salah Laghrouche, Maurizio Cirrincione, Abdoul Ousmane Ndiaye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Wira
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Depernet, Alessandro Lidozzi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mohamed Benbouzid, Marcello Pucci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs à aimants permanents

Mots clés libres

Moteur synchrone à réluctance

Commande adaptative à modèle de référence

Commande basée sur l'observateur de perturbation

Observateur de perturbations

Moteur synchrone à aimant permanent

Commande par mode glissant

Disturbance-Observer-Based control

Synchronous reluctance motor

Disturbance observer

Model reference adaptive control

Permanent-Magnet synchronous motor

Sliding-Mode control

Résumé

Dans cette thèse, quatre nouveaux contrôleurs composites, dont chacun combine un contrôleur non linéaire avec un observateur de perturbation (OP), sont proposés pour la classe des systèmes nonlinéaires incertains monovariable de degré relatif 1. Ces contrôleurs sont ensuite appliqués pour la synthèse de nouvelles stratégies de commande robuste à orientation de champ (CROC), pour le système de variation de vitesse de la machine synchrone à réluctance (VV-MSR) et le système de variation de vitesse de la machine synchrone à aimant permanent à pôles lisses (VV-MSAPPL).Le premier contrôleur proposé est appelé contrôleur composite de type 1. Il est formé d'un contrôleur de type super-twisting (TST), d'un OP basé sur un réseau de neurones Hermite (OP-RNH) et d'un compensateur d'erreur. Une analyse rigoureuse de la stabilité de la dynamique du mode glissant avec ce contrôleur composite est présentée. Sur cette base, les lois d'apprentissage pour le OP-RNH et le compensateur d'erreur sont rigoureusement conduits. De plus, le contrôleur composite de type 1 est conçu comme un contrôleur de vitesse du rotor pour la construction d'une nouvelle stratégie de CROC robuste pour le système de VV-MSR, où deux contrôleurs de courant composites, dont chacun est composé de deux contrôleurs de TST standard, sont adoptés. Des tests comparatifs «hardware-in-the-loop» sont réalisés pour démontrer l'efficacité et la supériorité de la stratégie de CROC proposée.Le deuxième contrôleur composite proposé est appelé contrôleur composite de type 2, qui est formé d'un contrôleur de type TST modifié et d'un observateur d'état étendu du second ordre. Une analyse rigoureuse de la stabilité de la dynamique du mode glissant avec ce contrôleur composite est présentée. En outre, le contrôleur composite de type 2 est conçu comme un contrôleur de vitesse du rotor pour la construction d'une nouvelle stratégie de CROC robuste pour le système de VV-MSAPPL, où deux contrôleurs de courant linéaires proportionnels-intégral (PI) sont adoptés. Des tests expérimentaux comparatifs sont effectués pour démontrer l'efficacité et la supériorité d'une telle stratégie de CROC.Le troisième contrôleur composite proposé est appelé contrôleur composite de type 3, qui consiste en un contrôleur par mode glissant complémentaire et d’un observateur super-twisting (OST). Une analyse rigoureuse de la stabilité de la dynamique des erreurs de poursuite avec ce contrôleur composite est présentée. De plus, le contrôleur composite de type 3 est conçu comme un contrôleur de vitesse du rotor pour la construction d'une nouvelle stratégie de CROC robuste pour le système de VV-MSAPPL, où deux contrôleurs de courant PI linéaires sont adoptés. Des tests expérimentaux comparatifs sont effectués pour démontrer l'efficacité et la supériorité d'une telle stratégie de CROC.Le quatrième contrôleur composite proposé est appelé contrôleur composite de type 4, qui est formé d'une commande adaptative à modèle de référence, d'un OST et d'un compensateur d'erreur. Un modèle linéaire du premier ordre est sélectionné comme modèle de référence pour le système. Une analyse rigoureuse de la stabilité de la dynamique des erreurs de poursuite avec ce contrôleur composite est présentée. En outre, le contrôleur composite de type 4 est conçu comme un contrôleur de vitesse du rotor pour la construction d'une nouvelle stratégie de CROC robuste pour le système de VV-MSAPPL, où deux contrôleurs de courant PI linéaires sont adoptés. Des tests expérimentaux comparatifs sont effectués pour démontrer l'efficacité et la supériorité d'une telle stratégie de CROC.

In this thesis, four novel composite controllers, each of which combines a nonlinear feedback controller with a disturbance observer (DO), are proposed for a single-input uncertain nonlinear system with relative degree one for the disturbance attenuation ability improvement and applied to the construction of novel robust field-oriented control (FOC) strategies for the synchronous reluctance motor-based variable speed drive (SynRM-VSD) system and the surface-mounted permanent-magnet synchronous motor-based VSD (SPMSM-VSD) system.The first proposed composite controller is named as the type-1 composite controller, which consists of a standard super-twisting sliding-mode (STSM) controller, a Hermite neural network-based DO (HNN-DO) and an error compensator. Rigorous stability analysis of the sliding-mode dynamics with this composite controller is presented. Based on that, the learning laws for the HNN-DO and the error compensator are rigorously derived. Moreover, the type-1 composite controller is designed as a rotor speed controller for the construction of a novel robust FOC strategy for the SynRM-VSD system, where two composite current controllers, each of which is composed of two standard STSM controllers, are adopted. Comparative hardware-in-the-loop tests are performed to demonstrate the effectiveness and the superiority of the proposed FOC strategy.The second proposed composite controller is named as the type-2 composite controller, which consists of a modified STSM controller and a second-order extended state observer. Rigorous stability analysis of the sliding-mode dynamics with this composite controller is presented. Furthermore, the type-2 composite controller is designed as a rotor speed controller for the construction of a novel robust FOC strategy for the SPMSM-VSD system, where two linear proportional-integral (PI) current controllers are adopted. Comparative experimental tests are performed to demonstrate the effectiveness and the superiority of such a FOC strategy.The third proposed composite controller is named as the type-3 composite controller, which consists of a sign-function-based complementary sliding-mode controller and a super-twisting sliding-mode observer (STSMO). Rigorous stability analysis of the tracking error dynamics with this composite controller is presented. Moreover, the type-3 composite controller is designed as a rotor speed controller for the construction of a novel robust FOC strategy for the SPMSM-VSD system, where two linear PI current controllers are adopted. Comparative experimental tests are performed to demonstrate the effectiveness and the superiority of such a FOC strategy.The fourth proposed composite controller is named as the type-4 composite controller, which consists of a classic model reference adaptive controller, a STSMO and an error compensator. A stable first-order linear model is selected as the reference model for the system. Rigorous stability analysis of the tracking error dynamics with this composite controller is presented. Furthermore, the type-4 composite controller is designed as a rotor speed controller for the construction of a novel robust FOC strategy for the SPMSM-VSD system, where two linear PI current controllers are adopted. Comparative experimental tests are performed to demonstrate the effectiveness and superiority of such a FOC strategy.