Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines &...
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Introduction à l’automatisation
-ELE3202-
Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh
Enseignant: Jean-Philippe Roberge
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Cours # 5
Retour sur le cours #4
Conception de contrôleur:
Lieux des racines
Critère de stabilité de Routh (1ère partie):
Démonstration générale sur les polynômes d’ordre n
Exemple avec des polynômes d’ordre 3 et 4 (au tableau)
2 Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Un système de deuxième ordre sous forme normalisée
(Laplace):
Se traduit, dans le domaine temporel par la réponse indicielle:
Le comportement de la réponse d’un système de deuxième
ordre est donc directement lié à ses paramètres (ζ, ω)
2
2
11 sin 1
1nt
ny t e t
Rappel du cours #4 (I)
3
2
2 22n
n
G ss s
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
si nte
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Rappel du cours #4 (II)
La performance d’un système peut s’exprimer selon certains critères de performance:
Stabilité (les pôles sont-ils tous à partie réelle négative?) Dépassement P (en %), en anglais (« overshoot ») Le temps de dépassement Tp Le temps de réponse Ts à 2%, à 5% La constante d’erreur de position vis-à-vis l’échelon (kp) La constante d’erreur de vitesse vis-à-vis la rampe (kv) La constante d’erreur d’accélération vis-à-vis la parabole
(ka) La bande passante BW (en anglais « bandwidth ») Le gain à la fréquence de résonnance Mm
4 Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Rappel du cours #4 (III)
Temps de dépassement Tp:
En dérivant l’expression de y(t):
5
212
2
2
sin 1 01
sin 1 0
1
ntnn
n
n
d y te t u t
dt
t
t
21n
Tp
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Rappel du cours #4 (IV)
Le dépassement P
Il s’agit simplement d’évaluer y(Tp):
Par conséquent:
6
21
DépassementÉchelon
1y Tp e
21 100%P e
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Rappel du cours #4 (V)
Le temps de réponse Ts:
Encore une fois, en observant la réponse temporelle d’un
système de 2ième ordre:
On s’intéresse au moment lors duquel l’amplitude du
sinus sera environ égale à 0.02 (pour la réponse à 2%) ou
0.05 (pour la réponse à 5%).
7
2
2
Amplitude du sinus
11 sin 1
1n t
ny t e t
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Rappel du cours #4 (VI)
L’amplitude du sinus peut être approximée par :
Donc:
Temps de réponse à 2%:
Temps de réponse à 5%:
8
2
2
Amplitude du sinus
11 sin 1
1n t
ny t e t
2
1 Pour des valeurs de 1
1n nt te e
42%
40.0183 s
n
e T
35%
30.0498 s
n
e T
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Rappel du cours #4 (VII)
Exemple d’application de ces formules pour un système
quelconque de deuxième ordre:
Théoriquement, en appliquant les formules que nous
venons de démontrer:
9
2
2 2 2
100 10 100 10 0.5
2 10 100 2 10n
nn n
G ss s s s
212%2
40.3628sec 100% 16.3033% 0.8sec
1s
nn
Tp P e T
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Rappel du cours #4 (VIII)
En utilisant les outils tf() et ltiview de MATLAB:
10
212%2
40.3628sec 100% 16.3033% 0.8sec
1s
nn
Tp P e T
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Rappel du cours #4 (IX)Type du système et réponse en
R.P. Soit un système représenté par le digramme fonctionnel
général suivant:
Si on s’intéresse à la performance de ce système en tant
que suiveur (suivi de consigne), on s’intéresse donc à la
fonction de transfert entre l’erreur et l’entrée:
11
1 2
1 2 1 2
1 1 1 1
1 1 1
G s
E s Y s G s G sE s R s Y s
R s R s G s G s G s G s G s
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Rappel du cours #4 (X)Type du système et réponse en
R.P. 1) Si nous injectons un échelon unitaire à l’entrée de ce système,
alors:
2) Si nous injectons une rampe unitaire à l’entrée de ce système,
alors:
3)Dans la même veine, en appliquant une entrée parabole:
12
0 0
1 1 1 1lim lim où est la constante d'erreur de position
1 1 1 ps s
p
e t s KG s s G s K
1 20 0lim limp s s
K G s G s G s
20 0 0
1 1 1 1 1lim lim lim = où est la constante d'erreur de vitesse
1 vs s sv
e t s KG s s s sG s sG s K
1 20 0lim limv s s
K sG s sG s G s
3 2 2 20 0 0
1 1 1 1 1lim lim lim = où est la constante d'erreur d'accélération
1 as s s
a
e t s KG s s s s G s s G s K
2 21 20 0
lim lima s sK s G s s G s G s
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Rappel du cours #4 (XI)Type du système et réponse en
R.P. Nous avions alors introduit la notion de « type du système »,
qui correspond en fait au nombre de pôle(s) nul(s) de
G(s)=G1(s)G2(s). La notion de type est utile puisqu’elle
permet entre autre de connaître immédiatement l’erreur en
R.P. d’un système face à une entrée connue:
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Soit:
Avec:
Alors, l’erreur en régime permanent:
Rappel du cours #4 (XII)Type du système et réponse en R.P. –
Exemple 1
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
1
2
4 (Gain "proportionnel")
1
1 2 10
G s
G ss s s
0
Où:
limps
K G s
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Donc l’erreur en régime permanent se calcule directement à
partir de la constante d’erreur de position (entrée échelon):
Donc;
Dans Simulink:
Rappel du cours #4 (XIII)Type du système et réponse en R.P. –
Exemple 1
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
1
02
4 (Gain "proportionnel")4 4
lim 0.211 2 10 20
1 2 10p
s
G s
G s K G sG s s s s
s s s
1 1Erreur en R.P.: 0.8333
1 1 0.2pK
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
X: 10Y: 0.1667
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Considérons le même système avec, cette fois-ci, une
entrée de type rampe. Alors:
Rappel du cours #4 (XIV)Type du système et réponse en R.P. –
Exemple 1
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
1
02
4 (Gain "proportionnel")4
lim 011 2 10
1 2 10v
s
G s
G s K sG sG s s s s
s s s
1 1Erreur en R.P.:
0vK
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Bleu: RéférenceVert: Sortie du système
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Considérons le même système avec, cette fois-ci, une
entrée de type parabolique. Alors:
Rappel du cours #4 (XV)Type du système et réponse en R.P. –
Exemple 1
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
1
2
02
4 (Gain "proportionnel")4
lim 011 2 10
1 2 10a
s
G s
G s K s G sG s s s s
s s s
1 1Erreur en R.P.:
0aK
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
10
20
30
40
50
60
Bleu: RéférenceVert: Sortie du système
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Remplaçons maintenant le contrôleur par un intégrateur afin
d’augmenter le type de G(s):
Rappel du cours #4 (XVI)Type du système et réponse en R.P. –
Exemple 2
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
1
02
1 (intégrateur)1
lim1 1 2 101 2 10
ps
G s sG s K G s
s s s sG ss s s
1 1Erreur en R.P.: 0
1 pK
0 50 100 1500
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
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Avec le même contrôleur (intégrateur), essayons une entrée
rampe unitaire:
Rappel du cours #4 (XVII)Type du système et réponse en R.P. –
Exemple 2
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
1
02
1 (intégrateur)1 1
lim 0.051 1 2 10 201 2 10
vs
G s sG s K sG s
s s s sG ss s s
1 1Erreur en R.P.: 20
0.05vK
0 50 100 1500
50
100
150
Bleu: RéférenceVert: Sortie du système
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Avec le même contrôleur (intégrateur), essayons une entrée
parabole:
Rappel du cours #4 (XVIII)Type du système et réponse en R.P. –
Exemple 2
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
1
2
02
1 (intégrateur)1
lim 01 1 2 101 2 10
as
G s sG s K s G s
s s s sG ss s s
1 1Erreur en R.P.:
0aK
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-2
0
2
4
6
8
10
12
14x 10
4
Bleu: RéférenceVert: Sortie du système
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
Erreur en fonction du temps
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Considérons un nouveau système et remplaçons encore le
contrôleur par cette fois-ci un double intégrateur afin
d’augmenter (encore) le type de G(s):
Rappel du cours #4 (XIX)Type du système et réponse en R.P. –
Exemple 3
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
21
2 02
1 (intégrateur)1 0.5
lim1 0.5 1 2 101 2 10
ps
G ss s s
G s K G ss s s s s sG ss s s
1 1Erreur en R.P.: 0
1 pK
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Bleu: RéférenceVert: Sortie du système
![Page 22: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/22.jpg)
Avec le même contrôleur (double intégrateur), essayons une
entrée rampe unitaire:
Rappel du cours #4 (XX)Type du système et réponse en R.P. –
Exemple 3
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
21
2 02
1 (intégrateur)1 0.5
lim1 0.5 1 2 101 2 10
vs
G ss s s
G s K sG ss s s s s sG ss s s
1 1Erreur en R.P.: 0
vK
0 50 100 150-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Bleu: RéférenceVert: Sortie du système
![Page 23: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/23.jpg)
Avec le même contrôleur (intégrateur), essayons une entrée
parabole:
Rappel du cours #4 (XXI)Type du système et réponse en R.P. –
Exemple 3
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
21
22 0
2
1 (intégrateur)1 0.5 0.5
lim 0.02501 0.5 1 2 10 201 2 10
as
G ss s s
G s K s G ss s s s s sG ss s s
1 1Erreur en R.P.: 40
0.0250aK
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Bleu: RéférenceVert: Sortie du système
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
10
20
30
40
50
60
70
Erreur en fonction du temps
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Soit maintenant un système affecté d’une perturbation non-
négligeable. On s’intéresse à la performance du système
(ici, l’erreur en régime permanent) en tant que régulateur
(rejet des perturbations). Donc, on cherche la fonction de
transfert entre l’erreur (sortie) et la perturbation (entrée):
Conception de boucles de commande (XX)
24
2 1 2 1 2 2
2
1 2
On s'intéresse à la fonction de transfert , donc on pose R 0. Alors:
( ) 1
1
E ss
P s
E s P s G s E s G s G s E s G s G s P s G s
E s G s
P s G s G s
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
![Page 25: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/25.jpg)
Ainsi, pour une perturbation quelconque qui s’exprime telle
que:
L’erreur en régime permanent, en utilisant le théorème de la
valeur finale, sera:
Donc, simplement par observation de cette dernière
expression, l’erreur en régime permanent sera:
Conception de boucles de commande (XX)
25
1 où 0
jP s j
s
2
22 2 1. .
0 0 01 21 2 1 2 1 2
1 2
1 1 1lim lim lim
1 1R P j j js s s
N sD sG s N D
e t s s sN s N sG s G s s s D D N N s
D s D s
1
1
1
Nulle ssi 1
Finie ssi 1
Divergente si 1
j Type G
j Type G
j Type G
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
![Page 26: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/26.jpg)
Cours #5
![Page 27: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/27.jpg)
Conception de contrôleur (I)
27
À la lumière de l’analyse que nous venons de faire sur la relation
entre le type de G(s) et l’erreur en régime permanent d’un
système suiveur ou régulateur, il est évident que pour améliorer
la réponse d’un système en régime permanent, il suffit
simplement d’inclure des intégrateurs dans G1(s) afin
d’augmenter le type du système, ou d’inclure des gains K afin
d’augmenter le plus possible la constante d’erreur Kp, Kv ou Ka.
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Conception de contrôleur (II)
28
Ce qui est moins évident est la manière d’améliorer la performance
en régime transitoire du système suiveur. L’analyse du système
normalisé du deuxième ordre fournit cependant des indications sur
les positions des pôles qui donnent lieu au comportement désiré.
Dans cette section, nous allons étudier la manière dont les pôles se
déplacent en fonction de la structure et des paramètres du
contrôleur. Ceci nous permettra de déplacer les pôles du système
en boucle fermée de façon à obtenir la réponse désirée en régime
transitoire.Jean-Philippe Roberge - Février
2011
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Conception de contrôleur (III)Lieux des racines
29
Le fait d’introduire un contrôleur dans la boucle de
commande nous donne des degrés de liberté au niveau du
comportement du système en boucle fermée. Les différents
gains associés au contrôleur permettent de changer la
position des pôles du système en boucle fermée et donc,
aussi de modifier le comportement du système en régime
transitoire. Par exemple, considérons encore le système
général suivant:
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Conception de contrôleur (IV)Lieux des racines
30
Comme nous l’avons déjà démontré, la fonction de transfert
d’un tel système s’écrit tel que:
Considérons maintenant un contrôleur de type proportionnel
donc la fonction de transfert s’écrit:
Alors, la fonction de transfert du système se ré-écrit:
Les pôles du polynôme caractéristique seront situés tel que:
Donc: La position des pôles du système en boucle fermée est affectée par le paramètre K choisi par le concepteur!
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
1 2
1 21
Y s G s G s
R s G s G s
1 où K est le gain proportionnel: paramètre déterminé par le concepteurG s K
2
21
Y s KG s
R s KG s
21 0KG s
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Conception de contrôleur (V)Lieux des racines
31
Puisque les pôles du système en boucle fermée dépendent
de K, il serait utile de pouvoir visualiser sur un graphique le
déplacement des pôles du système en fonction de K: ce
graphique se nomme le lieu des racines.
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Conception de contrôleur (VI)Lieux des racines – Exemple tiré de [2]
32
Par exemple, voici la caméra ACS-2000-P1A CameraMan de la
compagnie « Parker Vision »:
Cette dernière suit le mouvement d’un individu vêtu
d’émetteurs infrarouges. L’enregistrement vidéo est donc guidé
par le rayonnement infrarouge.Jean-Philippe Roberge - Février
2011
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Conception de contrôleur (VII)Lieux des racines – Exemple [2]
33
Le diagramme fonctionnel de ce système s’écrit comme suit:
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
2
10
K
s s 1K
Coordonnées de l’individu
Coordonnées de l’individu données par
la caméra
Amplificateur
2 10
K
s s K
Coordonnées de l’individu Coordonnées
de l’individu données par
la caméra
En
fermant la
boucle
Où K=K1K2
1 où G
1 10
KG ss
KG s s s
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Conception de contrôleur (VIII)Lieux des racines – Exemple [2]
34
La fonction de transfert est donc:
Lieux des racines dans Matlab:
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
2 10
Y s K
R s s s K
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2-6
-4
-2
0
2
4
6Root Locus
Real Axis
Imag
inar
y A
xis
K=0 K=0K=25
Remarque: On voit donc qu’il est possible, dans ce cas-ci, d’obtenir un système soit sous-amorti, soit en amortissement critique ou soit sur-amorti: il suffit simplement de bien choisir le gain K!
Autre remarque: K=0 donne un système marginalement stable, ce qui est indésirable en pratique!
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Conception de contrôleur (IX)Lieux des racines
35
À ce point, nous réalisons qu’une représentation graphique
du lieux des racines d’un système est très utile pour bien
concevoir un contrôleur / boucle de commande. Attardons-
nous maintenant à présenter une méthode qui permet de
tracer à la main le lieu des racines, et ce, même pour des
systèmes complexes. Supposons que G(s) s’écrit comme
suit:
Les zi sont les zéros de la fonction de transfert, tandis que
les pi sont les pôles.Jean-Philippe Roberge - Février
2011
1
1
m
iin
ii
s zG s n m
s p
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Conception de contrôleur (X)Lieux des racines
36
Rappelons-nous que la fonction de transfert d’un système en
boucle fermée avec un contrôleur de type proportionnel est:
Et donc que les pôles du système sont les valeurs de s telles que:
Par contre, puisque « s » est complexe, cette dernière équation
représente en fait deux équations.
On pourrait penser à poser:
Cependant, de manière générale, on utilise plutôt les notions
d’amplitude et d’angle.
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
1
Y s KG s
R s KG s
1 0 Où est un paramètre déterminé par le concepteur (contrôleur)KG s K
Re 1 0 et Im 1 0KG s KG s
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Conception de contrôleur (XI)Lieux des racines
37
i) La relation d’amplitude:
ii) La relation d’angle:
Ce système de deux équations étant équivalent à l’équation originale, un point s se trouve sur le lieu des racines si et seulement s’il répond à ces deux équations.
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
1
1
11
m
iin
ii
s zKG s G s
Ks p
180 360 où =1,2,3,...G s k k
![Page 38: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/38.jpg)
Conception de contrôleur (XII)Lieux des racines - Remarques
38
Étant donné un point qui appartient au lieu des racines, la relation d’amplitude donne la valeur du gain K qui donne lieu à ce pôle.
On pourrait construire le lieu des racines à partir de ces relations par tâtonnements ; cependant, il existe un ensemble de règles, dites les règles d’Evans, qui simplifient beaucoup la construction manuelle du lieu.
On pourrait aussi construire le lieu des racines en utilisant la commande MATLAB rlocus (tel que démontré précédemment), mais les règles d’Evans permettent d’obtenir une bonne compréhension de la forme du lieu, compréhension qui est essentielle au choix de la structure du contrôleur!
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Conception de contrôleur (XIII)Règles d’Evans
39
1) Nombre de branches: Le lieu des racines comprend un nombre de trajectoires qui est égal au nombre de pôles du système en boucle ouverte G(s).
2) Symétrie du lieu: Le lieu des racines est symétrique par rapport à l’axe des réels.
3) Points de départ : Pour K = 0, les n branches commencent dans les pôles du système en boucle ouverte de G(s).
4) Points d’arrivée : Lorsque K→∞, m des n branches se terminent dans les zéros de G(s).
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Conception de contrôleur (XIV)Règles d’Evans
40
5) Centre de gravité des asymptotes : Lorsque K→∞, les n − m autres branches tendent vers l’infini, en s’approchant d’asymptotes sous forme de lignes droites avec le point d’intersection:
Ce point d’intersection est dit le centre de gravité des asymptotes. Les angles des asymptotes sont donnés par
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
1 1
n m
i ii i
p zs
n m
180 où h=1,3,5,...
h
n m
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Conception de contrôleur (XV)Règles d’Evans
41
6) Branches du lieu appartenant à l’axe réel : Un point s0 sur l’axe des réels appartient au lieu des racines si et seulement si la somme du nombre de zéros et du nombre de pôles qui se trouvent à la droite de s0 est un nombre impair.
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Conception de contrôleur (XVI)Règles d’Evans
42
7. Points de séparation ou points d’entrée : Les points pour lesquels des branches du lieu des racines s’intersectent sont donnés par les zéros de:
Comme G(s) est de la forme :
Alors, cela équivaut à écrire que:
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
' 0
dG sG s
ds
N sG s
D s
2
' '' 0 ' ' 0
N s N s D s D s N sdG s N s D s D s N s
ds D s D s
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Conception de contrôleur (XVII)Règles d’Evans
43
8. Angles de départ ou d’arrivée : À K = 0, les branches quittent les pôles avec un angle qui permet de respecter la relation d’angle. Pour le calculer, il suffit de choisir un point près du pôle et de calculer la contribution des tous les angles sauf celle du pôle près du point. On calculera l’angle de départ afin de respecter la relation d’angle. Ainsi:
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
Angle de départ d'un pôle = 180
- Angles des vecteurs entre les pôles et le pôle en question
Angles des vecteurs entre les zéros et le pôle en question
L'angle d'arrivée à un zéro 180
Angles des vec
teurs entre les zéros et le zéro en question
Angles des vecteurs entre les pôles et le zéro en question
![Page 44: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/44.jpg)
Conception de contrôleur (XVIII)Règles d’Evans
44
9. Croisement de l’axe des imaginaires : Si cela est pertinent, le gain et le point au croisement de l’axe des imaginaires peuvent être trouvée en utilisant s = jω dans l’équation caractéristique ou en utilisant le critère de Routh (que nous verrons plus tard).
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
![Page 45: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/45.jpg)
Conception de contrôleur (XIX)Règles d’Evans – Exemple I
45 Jean-Philippe Roberge - Février 2011
![Page 46: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/46.jpg)
Conception de contrôleur (XX)Règles d’Evans – Exemple I
46 Jean-Philippe Roberge - Février 2011
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5Root Locus
Real Axis
Imag
inar
y A
xis
![Page 47: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/47.jpg)
Conception de contrôleur (XXI)Règles d’Evans – Exemple II
47 Jean-Philippe Roberge - Février 2011
![Page 48: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/48.jpg)
Conception de contrôleur (XXI)Règles d’Evans – Exemple II
48 Jean-Philippe Roberge - Février 2011
-15 -10 -5 0 5 10 15-15
-10
-5
0
5
10
15Root Locus
Real Axis
Imag
inar
y A
xis
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Conception de contrôleur (XXII)Règles d’Evans – Exemple III
La photo et l’exemple proviennent de [2] et de [5] .
Voici le bras articulé ISAC (Intelligent Soft Arm Control) qui vise à aider les gens à capacité réduite. Le bras utilise une
technologie nommée « rubbertuator » qui, en gros, est un actuateur pneumatique composé de tubes en caoutchouc qui se contractent sous pression et qui s’allongent lorsque la pression est relachée.
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
49
![Page 50: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/50.jpg)
Conception de contrôleur (XXIII)Règles d’Evans – Exemple III
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
50
Le diagramme fonctionnel représentant le contrôle de la position de la cuillère est représenté ci-dessous:
Vous êtes en présence d’un système d’ordre 5, vous voulez choisir un gain du contrôleur (K) qui placera les pôles du système selon ce que vous souhaitez. Vous tracez donc le lieux des racines en utilisant les règles d’Evans.
1 6
10 15
K s s
s s s
2
10
2 5s s
RubbertuatorContrôleur Position actuelle de la cuillère
Y(s)R(s)
Position désirée de la cuillère
![Page 51: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/51.jpg)
Conception de contrôleur (XXIV)Règles d’Evans – Exemple III
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
51
En utilisant Matlab:
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50Root Locus
Real Axis
Imag
inar
y A
xis
![Page 52: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/52.jpg)
Conception de contrôleur (XXV)Critère de Routh-Hurwitz (1ère partie)
52 Jean-Philippe Roberge - Février 2011
Lors des cours précédents, nous avons insisté sur le fait que pour qu’un système quelconque soit stable, les pôles de la fonction de transfert de ce dernier doit tous êtres à partie réelle négative (i.e.: demi-plan gauche du plan complexe).
Dans certains cas, par exemple pour des fonctions de transfert d’ordre élevé, il peut être difficile de déterminer les pôles de la fonction de transfert d’un système.
Pour les systèmes d’ordre un et deux, les pôles de la fonction de transfert seront à partie réelle négative si tous les coefficients du polynôme caractéristique sont tous du même signe: très simple!
![Page 53: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/53.jpg)
Conception de contrôleur (XXVI)Critère de Routh-Hurwitz (1ère partie)
53 Jean-Philippe Roberge - Février 2011
Pour des système d’ordre trois et plus, il est toujours nécessaire que les coefficients soient positifs, mais cela n’est pas suffisant.
Le critère de Routh permet de vérifier la stabilité d’un polynôme sans en calculer les racines!
En effet, considérons le polynôme caractéristique d’un systèeme quelconque :
1 20 1 2 1...n n n
n nP s a s a s a s a s a
![Page 54: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/54.jpg)
Conception de contrôleur (XXVII)Critère de Routh-Hurwitz (1ère partie)
54 Jean-Philippe Roberge - Février 2011
![Page 55: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/55.jpg)
Conception de contrôleur (XXVIII)Critère de Routh-Hurwitz (1ère partie)
55 Jean-Philippe Roberge - Février 2011
![Page 56: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/56.jpg)
Conception de contrôleur (XXIX)Critère de Routh-Hurwitz (1ère partie)
56 Jean-Philippe Roberge - Février 2011
![Page 57: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/57.jpg)
Conception de contrôleur (XXX)Critère de Routh-Hurwitz (1ère partie)
57 Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Conception de contrôleur (XXXI)Critère de Routh-Hurwitz (1ère
partie)Exemple
Reprenons l’exemple du bras articulé ISAC:
En boucle fermée en prenant K=1:
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
58
1 6
10 15
K s s
s s s
2
10
2 5s s
RubbertuatorContrôleur Position actuelle de la cuillère
Y(s)R(s)
Position désirée de la cuillère
2
2
2
5 4 3 2
1 6 1010 15 2 5 10 1 6
1 6 10 10 15 2 5 10 1 61
10 15 2 5
10 1 6
27 205 435 795 60
s s
Y s s s s s s s s
s sR s s s s s s s ss s s s s
s s
s s s s s
![Page 59: Introduction à lautomatisation -ELE3202- Cours #5: Conception de contrôleur: lieu des racines & critère de stabilité de Routh Enseignant: Jean-Philippe.](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062511/551d9d80497959293b8b917b/html5/thumbnails/59.jpg)
Conception de contrôleur (XXXII)Critère de Routh-Hurwitz (1ère
partie)Exemple
La table de Routh-Hurwitz est donnée ci-dessous:
Conclusion: Avec un gain K=1, le système est stable puisqu’il n’y a aucun changement(s) de signe dans la première colonne de la table de Routh-Hurwitz.
Jean-Philippe Roberge - Février 2011
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Conception de contrôleur (XXXIII)Critère de Routh-Hurwitz (1ère
partie)Exemple
Maintenant, en boucle fermée en prenant K=1500:
La table de Routh-Hurwitz:
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60
2
2
2
5 4 3 2
1 6 1010 15 2 5 1 6
1 6 10 10 15 2 5 1 61
10 15 2 5
15000 1 6
27 205 15425 105725 90000
15000
15000
s s
Y s s s s s s s s
s sR s s s s s s s ss s s s s
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Conception de contrôleur (XXXIV)Critère de Routh-Hurwitz (1ère
partie)Exemple
La table de Routh-Hurwitz contient deux changements de signes, donc 2 pôles sont situés dans le demi-plan droit du plan complexe et cause l’instabilité du système. En effet, les pôles sont:
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61Real Axis
Imag
inar
y A
xis
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
X: 6.216Y: 20.53
Step Response
Time (sec)
Am
plitu
de
0 0.5 1 1.5 2 2.5-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5x 10
6
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Références
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[1]Modern Control Systems – Richard C. Dorf & Robert H. Bishop
[2]Control Systems Engineering – Norman S. Nise
[3]Notes de cours (ELE3202) – Richard Gourdeau & John Thistle
[4]Linear System Theory – Wilson J. Rugh
[5] Kara, A., Kawamura, K., Bagchi, S., and El-Gamal, M. Reflex Cibtrik if a Robotic Aid System to Assist the Physically Disabled. IEEE Control System, June 1992, pp71-77.
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