Commande tolérante aux défauts des systèmes d’entrainement électrique

Commande tolérante aux défauts

Mémoire préparé en vue de l’obtention du diplôme de Master en génie électrique
Spécialité : Commande électrique
Préparé par: DJIDEL Zohra, DOKMAN Baya. Proposé et dirigé par Dr. KHADAR Saad

Commande tolérante aux défauts, notre méthode s’intéresse à un terme additif à la commande par backstepping qui repose sur l’erreur de courant lors de l’apparition du défaut et les gains adaptatifs du filtre de Kalman. Cette méthode améliore les performances de la commande par backstepping pour maintenir le fonctionnement lors de l’apparition de défauts. Le principal est d’assurer un niveau minimal de performance du système d’entraînement.

Introduction générale :

Actuellement, les machines électriques représentent un élément clé de nombreux systèmes électromécaniques, omniprésents dans une grande variété d’applications industrielles, on peut citer particulièrement: le nucléaire, le transport, les industries chimiques, les machines-outils…etc.

Parmi tous types de ces machines sont un exemple fréquent des systèmes de conversion électromécanique en raison de leur construction simple, leur puissance massique (i.e. rapport poids/puissance) et leur faible coût d’achat et d’entretien.

Les kalman filters peuvent être utilisés pour des approches de la commande tolerante est l’une des recherches industrielles les plus intéressantes, pour tolerer un defaut et ainsi pour maintenir l’opération malgré l’apparition de défauts.

Chapitre Ⅰ : Etat de l’art et analyse du système d’association convertisseur-moteur et commande

Dans le premier chapitre, nous analyserons brièvement la chaine de conversion électromécanique avec une description des défauts qui peuvent survenir dans ses éléments et leurs effets sur le comportement du système. En plus de donner un aperçu de différentes techniques de commande tolérante aux défauts et de leurs performances.

1. Présentation d’une chaine de conversion :
2. Les différentes défaillances dans les entraînements électriques:
3. Etude statistique des défauts de la MAS:
4. Objectif de la commande tolérante aux défauts:
5. Classification des techniques de FTC:
6. Position du problème à résoudre:

Chapitre Ⅱ : Modélisations du système d’association convertisseur-moteur et commande

Dans deuxième chapitre, nous nous sommes concentrés sur la modélisation de notre système dans des états de support sains et injurieux.

Le modèle mathématique a été validé par les constatations de simulation obtenue de l’ensemble convertisseur-moteur, ainsi l’affection des différents types de défauts sur le comportement de notre système.

1. Modélisation du système:
2. Modélisation du système sain:
3. Modélisation du système défectueux :

Simulation I :

Dans cette étape, on a simulé la MAS alimentées directement par 230/380V-50Hz.

Simulation II :

Le modèle (avec défauts) que nous avons élaboré de la MAS est simulé en boucle ouverte. On applique un couple résistant (3.5N.m) A l’instant t=1s, suivi par un défaut à t=1.5s.

Nous remarquons que la machine répond à cette perturbation, par une diminution de la vitesse, le couple électromagnétique qui est nettement meilleur augmente et prend la valeur du couple de charge (3.5Nm). Et les oscillations de vitesse en régime permanent sont pratiquement inexistante pour l’essai en charge on note une diminution de la vitesse et un régime transitoire plus long vu que le démarrage s’effectue en charge.

Chapitre Ⅲ : Commande de la machine en mode normale et dégradé via le backstepping

Ensuite le troisième chapitre sera consacré à la technique de contrôle de l’appareil en mode normal et dégradé via backstepping, après nous analyserons les résultats obtenus par simulation et l’effet du premier ordre sur les défauts.

Dans ce chapitre nous avons découvert que la commande backstepping a la capacité à compenser les effets des défauts sur MAS.

1. Principe de la commande par backstepping :
2. Méthodes d’analyse de la stabilité :
3. Synthèse de la loi de commande :
4. Structure générale de la commande backstepping à la MAS :

Résultats de simulation :

Chapitre IV : Commande tolérante aux défauts via la commande par backstepping du MAS

Ce chapitre présente une nouvelle méthode de commande tolerante qui consiste en la synthèse d’une commande robuste basée sur le kalman filter. Nous pouvons remarquer que le kalman filter mis en œuvre a généré le terme additif approprié, conformément au filtre de Kalman etendue. L’efficacité du commande FTC proposée est montrée et représentée par les résultats obtenus.

1. Formulation du problème de commande :
2. Problème de commande en présence de défauts :
3. Commande passive tolérante aux défauts :
4. Application de la FTC à l’ensemble convertisseur-moteur et commande:
5. Elaboration du filtre de Kalman étendue :
6. Application de filtre de Kalman étendu à la MAS :
7. Reconfiguration de la stratégie de commande tolérante au défaut :

Résultats de simulation :

Pour comparer l’efficacité et la robustesse de la commande tolerante proposée la commande backstepping, des défauts de court-circuit, defaut onduleur et defaut capteur de courant sont introduits sur les deux loi de commande (backstepping et commande tolérante aux défauts). La vitesse de référence est fixée à 300rad/s. La MAS démarre en fonctionnement équilibré, nous appliquons un couple de charge (3, 5 N.m) à t = 0,25 s, puis une introduction d’un defaut à t = 0,6 s.

D’après les resultats de simulation obtenue, il est clair de noter la dégradation du suivi de vitesse avec la commande backstepping en régime permanent après l’apparition du défaut pour les trois type de defaut: court circuit (voir Figure (IV.3)), defaut onduleur (voir Figure (IV.4)) et defaut capteur de courant (voir Figure (IV.5)). Cependant, lors de l'utilisation du commande proposé, les oscillations de la vitesse du disparaissent. La Figure (IV.5) pour un defaut capteur de courant montre des ondulations importantes dans le couple électromagnétique. avec le BSC où l'ondulation maximale atteint +10.1 N.m, d'autre part, la commande proposée réduit considérablement les oscillations de couple. Pour les trois type de defaut nous remarquons avec la commande proposé, le flux du suit sa valeur de reference correctement, d’autre part, la réponse de flux avec la backstepping présente des ondulations après t = 0.6 sec. Sur la Figure (IV.5), Une forte degradation de la forme des courants statorique est clairement observée avec la commande backstepping et surtout pour le courant  car c’est le courant qui circule dans la phase défectueuse. 

 Dans les Figure (IV.3) et (IV.4) pour les defaut court circuit et defaut onduleur et après que le défaut se soit produit, les courants des deux phases saines restent symétriques et leurs amplitudes diminuent. La déformation de ces signaux exprime la compensation de perte de la phase defectueuse. Ces résultats de simulation permettent de constater que la commande proposée assure une robustesse satisfaisante contre les trois types de défaut tantdis que la BSC ne parvient pas à maîtriser correctement la machine en cas de defaut capteur de courant, et il presente une insufissance dans le cas de defaut de court circuit (50%) et defaut onduleur.

Le Tableau (1) résume les principales améliorations de la commande tolérante aux défauts par rapport à la commande backstepping. Les Figures (IV.3), (IV.4) et (IV.5) montrent une comparaison entre la commande backstepping et la commande proposée.

Conclusion générale :

Ce travail vise à améliorer la commande tolérante aux défauts des systèmes d’entraînement électriques à vitesse variable, en prenant en compte la dégradation des performances.

Nous avons commencé par décrire la structure générale de ces systèmes et les différents éléments qui les composent : la commande, ainsi que les différents défauts qui peuvent les affecter. Nous avons également effectué un état de l’art sur la commande FTC pour choisir la meilleure option.

Deuxième partie nous avons présenté un modèle mathématique pour la modélisation du moteur dans le système est en bon état ou affecté par des défauts.

Nous avons également analysé le comportement du convertisseur et du système de commande en présence et en absence de défauts. Les simulations ont confirmé la validité de ce modèle mathématique pour la détection des défauts.

La troisième partie nous avons présenté une technique de commande par backstepping qui peut être limitée en termes de contrôle. Cette technique peut entraîner un comportement indésirable de l’ensemble en cas d’erreur de capteur, ce qui peut rendre le système instable. Cependant, elle reste efficace pour certains types de perturbations

Dernière partie, les résultats obtenus après l’application de commande tolérante montrent que le fonctionnement correct de la commande du moteur électrique dépendent principalement de la qualité des informations des capteurs.

L’objectif était de voir comment la commande tolérante aux défauts peut compenser les effets des pannes sur les performances de suivi de la MAS.

Annexe

Les paramètres de la machine asynchrone utilisés dans ce mémoire sont les suivants :

• Puissance électrique = 1.1 KW
• Nombre de paire de pôle = 1
• Résistance du stator = 7.58 Ω
• Résistance du rotor = 6.3 Ω
• Inductance du stator = 0.5976 H
• Inductance du rotor = 0.1612 H
• Moment d’inertie = 0.0054 Kg.m2
• Coefficient de frottement = 0. 00725 SI