Optimisation de la commande d’antennes mobiles 2 axes et 3 axes

par Mohamed Hajjem

Thèse de doctorat en Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique

Sous la direction de Pierre Melchior et de Patrick Lanusse.

Soutenue le 05-07-2023

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Systèmes à dérivées non entières (Commande Robuste d'Ordre Non Entier CRONE) (équipe de recherche) et de Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde) (laboratoire) .

Le président du jury était Brigitte d' Andréa-Novel.

Le jury était composé de Philippe Mouyon, Stéphane Victor, Lara Thomas.

Les rapporteurs étaient Rodolfo Orjuela, Luc Jaulin.


  • Résumé

    Cette thèse porte sur l'amélioration des performances de suivi de trajectoires des antennes à 2 et 3 axes produites par Safran Data Systems, à travers l'application de la méthodologie de commande robuste CRONE multivariable. Cela implique une modélisation complète des antennes, afin d'intégrer les phénomènes mécaniques pouvant dégrader les performances de la boucle fermée, tels que le couplage et la souplesse. Les spécifications et les contraintes pour la synthèse de la commande CRONE sont ensuite définies à partir de la réponse fréquentielle du modèle calibré et de son domaine d'incertitudes.La première partie des travaux se concentre sur la modélisation des antennes à 2 et 3 axes. Les modèles géométriques de dynamiques des antennes sont développés en utilisant les outils de modélisation robotique, adaptés à un système flexible. Ensuite, les modèles sont complétés en y intégrant les phénomènes mécaniques non linéaires tels que les frottements, les jeux et l'usure. Les effets des perturbations dues au vent sur la dynamique des antennes sont ensuite étudiés. Des modèles fractionnaires des turbulences du vent, basés sur le modèle de von Kármán, sont proposés afin de concevoir un simulateur réaliste de la vitesse du vent.La deuxième partie de cette thèse est consacrée à l'optimisation des lois de commande des antennes à 2 et 3 axes. Les modèles dynamiques développés sont calibrés et validés. Leur analyse met en évidence l'existence des variations paramétriques et du couplage mécanique, notamment dans le cas d'une antenne 3 axes, ce qui prouve la nécessité d'une loi de commande robuste pour assurer un haut degré de stabilité pour tous les états paramétriques du procédé. L'étude permet également de déterminer les domaines fréquentiels des incertitudes du procédé pour la synthèse de la commande robuste, à savoir la commande CRONE, et son application aux antennes. Dans le cas d'une antenne 2 axes, le couplage reste limité, l'approche CRONE multi-SISO (régulateur décentralisé) est donc choisie afin d'inclure des effets du couplage dans les incertitudes du procédé nominal diagonal. Dans le cas d'une antenne 3 axes, le couplage est plus important, par conséquent les deux approches de la commande CRONE multivariable: multi-SISO et MIMO complet (régulateur centralisé) sont appliquées et testées. La validation de la commande CRONE est effectuée tout d'abord, au travers des essais de suivi de cibles en simulation, puis sur les antennes réelles. En comparaison avec les performances actuelles obtenues avec un régulateur PI, et notamment avec un régulateur PID, la commande CRONE fournit des résultats plus précis et plus stables pour tous les états paramétriques. Le CRONE MIMO se distingue par son efficacité contre le couplage, par rapport à la synthèse multi-SISO. Le niveau de performances obtenu lors des essais réels valide la méthodologie de commande robuste présentée dans cette thèse.

  • Titre traduit

    2-axis and 3-axis mobile antennas control optimization


  • Résumé

    This PhD thesis focuses on the improvement of the trajectory tracking performance of the 2-axis and 3-axis antennas produced by Safran Data Systems, through the application of the multivariable robust CRONE control methodology. This involves firstly a complete antenna modeling, in order to integrate the mechanical phenomena that can degrade the performances of the closed-loop, such as coupling or flexibility. The specifications and constraints for the CRONE control design are then defined from the calibrated model frequency responses and its uncertainty domain.The first part of this work deals with the 2-axis and 3-axis antenna modeling. The antenna geometrical and dynamical models are developed using robotic modeling tools, adapted to a flexible system. Then the models are completed by integrating nonlinear mechanical phenomena, such as friction, backlash and wear. The wind disturbance effects on the antenna dynamics are then studied. Fractional wind turbulence models, based on the von Kármán model, are proposed in order to design a realistic wind speed simulator.The second part of this PhD thesis is devoted to the 2-axis and 3-axis antenna control optimization. The developed dynamical models are calibrated and validated. Their analysis highlights the existence of parametric variations and mechanical coupling, especially in the case of a 3-axis antenna, which shows the need for a robust control to ensure a high stability degree for all the parametric plant states. The model analysis also determines the plant uncertainty frequency domain for the robust control design, namely the CRONE methodology, and its application to the antennas. In the case of a 2-axis antenna, the coupling remains limited, therefore the multi-SISO CRONE approach (decentralized controller) is chosen in order to include coupling effects into the nominal diagonal plant uncertainties. In the case of a 3-axis antenna, the coupling is more important, therefore both approaches of the multivariable CRONE control: multi-SISO and full MIMO (centralized controller) are applied and tested. The CRONE control validation is carried out first, through target tracking tests in simulation and then, on the real antennas. In comparison with the actual performances obtained with the PI controller, and notably with a PID controller, the CRONE controller provides more precise and more stable results for all parametric states. The CRONE MIMO stands out for its efficiency against coupling compared to the multi-SISO synthesis. The performance level obtained during real tests validates the robust control methodology presented in this thesis.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 06-07-2033

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