EP2321750A1 - Method for producing a flexible mechatronic system - Google Patents

Method for producing a flexible mechatronic system

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Publication number
EP2321750A1
EP2321750A1 EP09800027A EP09800027A EP2321750A1 EP 2321750 A1 EP2321750 A1 EP 2321750A1 EP 09800027 A EP09800027 A EP 09800027A EP 09800027 A EP09800027 A EP 09800027A EP 2321750 A1 EP2321750 A1 EP 2321750A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
criterion
blocks
response
flexible
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09800027A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Mathieu Grossard
Christine Rotinat-Libersa
Nicolas Chaillet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2321750A1 publication Critical patent/EP2321750A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a flexible mechatronic system.
  • Mechatronics is a discipline that is at the crossroads of mechanics and automation. Many systems are thus mechatronics. This is the case, for example, with robotic systems. The dimensions involved may be in the field of miniaturization, typically the field of micro robotics, or may be of the order of several meters as in the case of large poly-articulated robots.
  • a basic actuator may be in particular a single beam morphe, bi-morph or a multilayer actuator.
  • a first difficulty encountered is the prior identification of all the dominant modes. This necessary step allows the construction of an appropriate reduced model. However, it must meet a dual objective, firstly be of a reasonable order not to complicate a posteriori the synthesis of the regulator and secondly be as close as possible to the dynamic behavior of the real flexible system, which is usually strongly resonant.
  • a second difficulty lies in the choice to be adopted on the strategy and the actual synthesis of the control law against such systems with very oscillating behavior.
  • An object of the invention is to overcome the disadvantages of the aforementioned methods, allowing, for the realization of a flexible mechatronics system, to take into account very varied criteria to allow on the one hand to facilitate the calculation of a model reduced as precise as possible, and secondly to facilitate the control of the vibratory behavior of this type of structure.
  • the subject of the invention is a method for producing a flexible mechatronic system, comprising at least: a step of modeling the system by a finite element mesh;
  • the criterion J / is for example defined by the following relation:
  • the characterization step comprises another numerical criterion J 2 k representative of the alternation of the resonances and antiresonances of the response in the frequency domain, in a selected frequency band.
  • the criterion J 2 k is for example defined by the following relation:
  • I I where k is the number of first resonance modes of said frequency response and C 1 and b ⁇ respectively represent the influence of the sensors and actuators on the input / output frequency response of the system.
  • An embodiment is for example selected when the criterion J / is greater than a value chosen by the user / designer.
  • An embodiment is for example selected when the criterion J 2 k is greater than a given value.
  • the mesh may be composed of a combination of elementary blocks to be determined, each authorized block being formed of a predefined assembly of segments representing elementary beams, said mesh comprising at least one active block controllable by means of a control signal.
  • the mesh being composed of a combination of elementary blocks to be determined, each authorized block being formed of a predefined assembly of segments representing elementary beams, the mesh comprises at least one node controllable at means of a control signal.
  • the blocks are for example from a library of predefined blocks.
  • a command of an active block can be exerted by a deformation signal of at least one of its beams.
  • a static mechanical criterion is for example the displacement ⁇ x of the terminal node.
  • a mechanical criterion is the value of the force that it applies to the external environment F x , for example the clamping force.
  • Other mechanical criteria may be used, for example stresses, deformation energies or parasitic displacements.
  • the control signal is for example a voltage or electric current signal.
  • the system is for example a piezoelectric actuator, all the beams constituting an active block being controlled by a voltage signal.
  • FIG. 1 an example of a library of elementary flexible blocks used for reduced modeling of a flexible mechatronic system
  • FIG. 2 an illustration of a piezoelectric beam, the elementary part constituting a piezoelectric system or actuator;
  • FIG. 3 a curvilinear representation of the preceding piezoelectric beam represented by a segment and its orientation in a system of axes;
  • - Figure 4 a desired form, which can be considered ideal, frequency response of a flexible mechatronic system
  • - Figures 5a and 5b the locations of the poles and zeros of the frequency response of a co-located system, respectively unamortized and slightly damped;
  • FIG. 6 an example of a mesh of a flexible mechatronic system whose elementary blocks constituting it are to be defined, with a view to the design of the system;
  • FIGS. 7a to 7d examples of flexible system structures modeled by an assembly of blocks based on the previous grid
  • FIGS. 8 to 11 show illustrations of the open-loop frequency response of each of the preceding structures.
  • Figure 1 shows an example of a library of active and passive elementary flexible blocks used in a method of designing flexible mechanisms. This more general method is notably described in the following documents:
  • FIG. 1 comprises, for example, 36 passive elements and 19 elements made active by piezoelectric effect 4. This library makes it possible to construct a large variety of topologies of structures.
  • Each elementary block 1, 2, 4 is also constituted by a predefined assembly of elementary beams, or segment 3.
  • a goal of the design stage is therefore to seek an optimal distribution of flexible blocks in a given space, as well as the optimal set of parameters (optimization variables: materials, dimensions, boundary conditions including actuators 10) which define flexible mechatronic structures whose performances (objectives to be optimized) are the closest to those specified in a given specification. Variables and optimization criteria are used. For optimization variables, several parameters can be used to define structures.
  • Some of these parameters may or may not be optimized, including: o points fixed to the frame (number, location, degree of freedom concerned), o the topology of the structure (types of flexible blocks of the library, their nature -active and / or passive-and their arrangement), o the (or) matéhau (x) constituting the passive blocks and their thickness o l ' thickness and electrical potential difference between the upper electrode and the lower electrode (for active blocks, which are currently made of piezoelectric material) o unilateral contacts between the structure and the frame, or between two parts of the structure (number , degree of freedom concerned, play and location), o the actuators (number, type of actuation, action point, degree of freedom concerned and amplitude), o sensors (number and location only, at present) .
  • the mechanical criteria available, for a static model include: o Free movement of the degrees of freedom (ddls) output o Geometric advantage, ie amplification of the ratio displacement output on displacement input o Blocking force of degrees of freedom of output o Advantage mechanical, ie amplification of the ratio of the force output on the input force o Inverse of the strain energy o Inverse of the orthogonal displacements to the output displacement o Manipulation o Mass o Maximum mechanical stress o Critical buckling load.
  • This criterion considers in an absolute way all the first modes that are not very influential in the input-output behavior of the system, without being interested in the following modes. In addition, this method aims to minimize the influence of the first modes only.
  • a stochastic optimization method used is for example a genetic algorithm inspired by the code described in Deb K., et al., "A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: Nsga-ll", Proc. of the 6th Int. Conf. on Parallel Problem Solving from Nature, pp. 849-858, France, 2000.
  • the optimal design method uses this optimization principle which allows a real multicriteria optimization (without a priori weighting of one criterion compared to another criterion), and the use of discrete variables.
  • the structure of the algorithm is for example organized as follows:
  • a new cycle of synthesis and evaluation is carried out, and so on, until convergence of the algorithm (achievement of the global optimum); •
  • the design algorithm provides a set of pseudo-optimal solutions, restituted on one (or more in the case of more than 2 criteria) two-dimensional Pareto fronts. Then, the designer chooses and interprets the resulting structures that respond optimally to his specifications.
  • the optimization process is based on a stochastic optimization technique (genetic algorithm) in which the candidate solutions are considered as individuals of a population. They are parameterized by chromosomes, themselves made of genes. The entire population evolves with simplified operators inspired by genetics, such as breeding, mutation and crossbreeding.
  • the genotype of a flexible block assembly is encoded by an array of integers, each of the integers referring to the active and passive library blocks of FIG. 1.
  • the blocks For example, assets are dominant on passive blocks, which are themselves dominant on an empty block.
  • a modeling of the piezoelectric elementary flexible blocks 2 can be implemented. For this modeling, only displacements and forces contained in the plane of the structure are considered. For example, it is assumed that the flexible mechanisms are subjected to structural deformations, mainly resulting from the bending of the beams constituting the blocks as illustrated for example in Figure 1.
  • the model adopted for the blocks is obtained by considering Navier-Bernoulli's hypotheses.
  • the parameters defining the blocks are the thickness, the material, the width and the height (and the electrical potential difference between the upper and lower electrodes for the active blocks).
  • the characteristics of the material of each block are parameterized by its Young's modulus, its Poisson's ratio, its elastic limit, its density (and the piezoelectric coupling coefficients for the active blocks).
  • FIG. 2 illustrates a piezoelectric beam 20 with electrodes 21, 22 perfectly distributed on its upper and lower faces, polarized with potentials ⁇ -i, ⁇ 2 depending on the thickness, and oriented in an orthotropic reference (ei, e 2 , e 3 ). Under the effect of transverse piezoelectric coupling, a longitudinal strain Su is caused along the dimension L by the electric field E 3 depending on the thickness.
  • the piezoelectric coupling d, electrical permittivity ⁇ and compatibility s matrices are each represented by a scalar coefficient, d 31 , ⁇ 33 and sn respectively.
  • the constituent relationships of the piezoelectricity for the deformation Su and the electrical displacement D 3 as a function of the stress T 11 and of the electric field E 3 are in this case reduced to:
  • FIG. 3 illustrates a curvilinear representation of the piezoelectric beam 20, represented by a segment AB, and its orientation in a global reference system (O, x, y, z) with the forces R A , R B and the nodal moments H A , H B at the ends of the beam.
  • M b denotes the mass matrix
  • K b denotes the stiffness matrix
  • - G b denotes the electromechanical coupling matrix, which induces the piezoelectric loading to achieve contraction or elongation of the beam proportionally to the potential difference ⁇ i - ⁇ 2 ;
  • - ⁇ b ( ⁇ -i, ⁇ 2)
  • f is the vector of the electric potentials on the upper and lower faces of the piezoelectric beam;
  • the mass matrices M B , stiffness K B and coupling G B of each active block are obtained by matrix assembly of the mass matrices M b ', stiffness K b ', and coupling G b 'of each constituent beam of the blocks.
  • G 6 PG, where P is a marker change matrix conventionally obtained.
  • the matrices mass, stiffness and electromechanical coupling of all the blocks of the library are calculated numerically, and this, considering all the possible combinations of the different discrete values authorized by a designer for the optimization variables (materials , block size ). This calculation is done once. The results are kept in memory, which saves computing time during the iteration processes of the optimization steps.
  • the evaluation of the different criteria specified by the designer uses the computation of the model of static or dynamic behavior of the structures, according to which are considered static mechanical criteria, dynamic or oriented automatic.
  • ⁇ g refers to the nodal displacements of the lattice structure discretized into blocks, themselves discretized into beams.
  • ⁇ g denotes the electrical potentials applied to the upper and lower electrodes of each block, and Fr 9 the external mechanical forces applied to the system.
  • equation (3) is simplified according to:
  • two numerical criteria Ji and J 2 are used to evaluate the dynamic performance of input-output transfer of flexible mechatronic systems. More particularly, these two criteria make it possible to define an optimization strategy with a view to the subsequent control of the flexible mechatronic systems to be produced. Criteria Ji and J 2 relate to the open-loop response of these structures. In particular, they allow the frequency input-output response to respect certain templates and constraints on the controllability and observability of certain modes of vibration.
  • the criterion Ji relates in particular to the amplitude of the open-loop frequency response of a system and the criterion J 2 relates in particular to the phase of this frequency response.
  • Each element of u denotes an actuator (respectively sensor) whose degree of freedom is defined by a non-zero value in the corresponding column of E 9 (respectively line of
  • the eigenvalues are ranked in increasing order & f ⁇ ... ⁇ ⁇ p 2 , and ⁇ is chosen normalized with respect to the mass matrix M.
  • the evolution matrix A depends on the structure (natural frequencies and modal damping), the control matrix B (respectively C) depends on the location and nature of the actuators (respectively sensors).
  • FIG. 4 shows a desired shape for the open-loop frequency response of a flexible system, for example a structure consisting of a set of piezoelectric beams. This form is represented by a curve representative of the amplitude, expressed in dB, with respect to the pulsation, expressed in radians / seconds. To increase the control authority over the different modes, the amplitudes of the resonances must be maximized in the frequency band [0, ⁇ c ], or bandwidth 42, as illustrated by the major peaks 43 of the curve 41 to FIG.
  • the criterion Ji defined subsequently makes it possible, in particular, to evaluate whether the response of a system model approaches the ideal case of FIG. 4. In other words, the criterion Ji makes it possible to evaluate the reduction capacity of the system. model and its precision.
  • the interpretation that can be made of the HL standard of the transfer matrix makes it possible to write such a criterion for obtaining this form of frequency response. This standard characterizes the maximum amplifications that the system can produce on the input signals. Especially in the case of a SISO function (only one input, one output), the value of the maximum amplitude Gi of the i-th mode of the frequency response can be approximated, under the assumption of small depreciation, by :
  • HSV Hankel singular values associated with the state representation of the relation (6) are the values of the balanced grammar.
  • each HSV thus characterizes here the degree of controllability and observability of the vibratory mode of the system in question.
  • HSVs are defined by: c, b.
  • This model G r reflects the behavior of the complete system G with a difference, relative to HSV omitted, defined by the following relation:
  • G 1 representing the Hankel singular values (HSV) associated with the state representation of the relation (6) for the particular eigenmode No. i.
  • HSV Hankel singular values
  • Figures 5a and 5b illustrate the places of the poles, represented by x, and those of zeros, represented by o, of the frequency response of a colocalised respectively undamped and slightly damped system, in the complex plane where the abscissa represent the real response Re (s) and the ordinates represent the imaginary response lm (s).
  • a second criterion used by the method according to the invention, J 2 characterizes the co-location behavior of flexible systems.
  • One property of these systems, advantageously exploited by the invention, is the alternation of the poles and zeros in the complex half-plane. Such systems are at a minimum of phase and the phase response oscillates continuously between 0 ° and 180 ° respectively corresponding to the zeros and the poles of the response.
  • an evaluation function can be used to estimate whether the behavior of a given structure can be considered as being close to a collocated system, thus with simple stability criteria.
  • This evaluation function is the criterion J 2 , defined for the first k modes by the following relation:
  • C 1 and b x respectively represent the influence of the sensors and actuators on the frequency response input / output of the system.
  • the maximization of the criterion J 2 makes it possible to favor the structures which show an alternation of poles and zeros. This criterion therefore favors the structures whose first k static gains of Gj are of the same sign. In practice, this amounts to favoring systems with alternating poles and zeros for the first k modes.
  • FIG. 6 illustrates the mesh of the symmetrical part of a micro-actuator with the boundary conditions, with four blocks 61, 62, 63, 64 to be determined and nodes 65, 66, 67 admissible for blocking, these nodes being the three nodes at the bottom.
  • An output node 68 representing the so-called node effector, forming the terminal member of the actuator.
  • Figure 6 illustrates the problem specification.
  • the fixed data are the dimensions of the symmetrical part, the modal damping and the electric potential difference V fixed for the active blocks.
  • the modal damping is for example taken constant and equal to 1% for all resonance modes.
  • the mesh of Figure 6 is made in a plane O, x, y.
  • the symmetrical part has for dimensions L1 x L2, L1 being for example equal to 15mm and L2 to 9mm, for a thickness following z of 200 ⁇ m.
  • This part is formed of four blocks 61, 62, 63, 64 to be optimized, the blocks each having a dimension a which is specific to it according to the dimension L1 and a dimension b which is specific to it according to the dimension L2.
  • the active blocks are those having electrodes powered by the voltage V equal for example to 200 volts, to exploit the piezoelectric effect.
  • Passive blocks are made of the same material but without electrodes.
  • the size of the blocks may vary for a between a maximum value a max and a minimum value a min such that the ratio a max / a m i n may vary between 1 and 2.
  • the dimension b may vary between maximum value b max and a minimum value b min so that the ratio b max / b m i n can vary between 1 and 2.
  • the mechanical parameters to be optimized are, for example, the displacement along the x-axis and the clamping force along the x-axis of the output node 68.
  • the output node 68 should occur: - a displacement ⁇ x along the x axis the largest possible;
  • the control may be an electrical voltage exerting a deformation of the piezoelectric beams.
  • FIGS. 7a, 7b, 7c and 7d illustrate four examples of solutions respectively called A, B, C and D, from the four-dimensional Pareto front (because here four optimization criteria are considered) obtained at the convergence of the procedure. optimization, to analyze the contribution of the use of the criteria Ji and J 2 according to the invention during the optimization. The performances of the four structures are reported in the table below where ⁇ x represents the displacement of the effector 68 along the x axis and F x its clamping force along the same axis.
  • Figures 7a, 7b, 7c and 7d are the geometric representations of the four piezoelectric actuators.
  • the structures of these actuators are composed of an assembly of blocks, for example from the library of FIG. 1 and each formed of one or more segments 3 whose ends form nodes 70 in which the segments can be fixed to each other. to others.
  • the solid lines 71 represent the active blocks and the dashed lines 72 represent the passive blocks.
  • the two left blocks 61, 63 are passive, the right blocks 62, 64 are active, the middle node 66 being blocked.
  • the blocks at the top left 61 and at the bottom right 64 are passive, the blocks at the top right 62 and at the bottom left are active, the left nodes 65, 66 being blocked.
  • the left block at the bottom 63 is passive, the right blocks 62, 64 are active, the right nodes 66, 67 being blocked.
  • the left block at the bottom 63 is passive, all the other blocks 61, 62, 64 are active, the left nodes 65, 66 being blocked.
  • FIG. 8 presents, by a Bode diagram, the response of the displacement ⁇ x of the effector 68 following a voltage harmonic excitation for the structure A of FIG. 7a.
  • the amplitude of the response is represented by a first curve 81 as a function of the frequency and the phase is represented by a second curve 82 as a function of frequency.
  • the first curve departs from that of the ideal case expressed in Figure 4 for amplitude 81.
  • the second curve illustrates the strongly non-minimum phase character.
  • the phase curve 82 shows that the input-output transfer does not have the interesting property of alternating poles and zeros, which was illustrated in FIGS. 5a and 5b, expressed by continuous oscillations of the phase between 0 ° and -180. °, in the chosen spectrum.
  • FIG. 9 always shows, by a Bode diagram, the frequency response of the displacement ⁇ x of the effector 68 under the same conditions but for the structure B of FIG. 7b, by an amplitude curve 91 and a phase curve 92. remarks of the same order as those on structure A can be made.
  • the control authority on the first two resonance modes is correct as shown by the significant drop in gain after the second resonance 93 on the amplitude curve 91, which is confirmed by a fairly good value of the criterion Ji in the table. previous.
  • the character of continuous alternation between the poles and zeros is not observed in view of the phase curve 92 in the frequency domain of interest and J 2 is effectively 0.
  • Figure 10 illustrates the case of structure C of Figure 7c.
  • the frequency response has a resonance / antiresonance alternation that varies continuously up to the second resonance mode as shown by the amplitude curve 101 of the Bode diagram.
  • the amplitude of the fourth resonance 103 is almost as large as the amplitude of the first 104, which is confirmed by the very low value of criterion Ji, so that these high dynamic resonance modes can not be reasonably neglected in the synthesis of the reduced model, which would generate a phase of identification and controller synthesis infeasible given the very large number of dynamics that should be considered to achieve a specific model.
  • FIG. 11 illustrates the case of the structure D of FIG. 7d. It turns out that this structure can present an interesting compromise.
  • the form of its frequency response is the expected one, both in amplitude as illustrated by the curve 1 1 1 of the Bode diagram, where there is a sharp decrease after the second resonance 113, as compared with the continuous alternation of resonances and antiresonances in the frequency domain of interest.
  • This makes this structure a mechatronic system whose truncated model (limited to the first two resonances) will be precise, easy to identify and adapted to an easy synthesis of its regulator in view of the criterion J1, and whose stability of its subsequent loop control closed will be guaranteed in view of criterion J2.
  • the structure D appears as the one which presents the best compromise between the mechanical performances, related to the criteria ⁇ x and F x and the dynamic performances, with a view to the control, related to the criteria Ji and J 2 .
  • the preceding examples show that the criteria Ji and J 2 make it possible to take into account at the design stage certain characteristics of the dynamic response of a system, notably affecting its subsequent control. More specifically, they make it possible to design flexible systems that have frequency characteristics that are conducive to the implementation of simple, simple control laws and / or dedicated to flexible systems.

Abstract

The method of the invention comprises at least: a step of modelling the system using a meshing including a given combination of elementary blocks (61, 62, 63, 64), each block being formed of a predetermined assembly of segments representing elementary beams, said meshing including at least one active block that can be controlled by a control signal; the step of simulating the behaviour of a terminal node (68) of the model in open-loop response to a control signal; the step of characterising said response by at least one static mechanical criterion (dx, Fx) and at least one digital criterion J1 k representative of the decrease of the resonance peaks (43, 44) of said response based on the frequency. The previous steps can be repeated. Said steps are then followed by the step of selecting a design based on the criteria defined in the characterisation step, the system being produced from the selected model.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UN SYSTEME MECATRONIQUE METHOD FOR PRODUCING A MECATRONIC SYSTEM
FLEXIBLEFLEXIBLE
La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un système mécatronique flexible.The present invention relates to a method for producing a flexible mechatronic system.
La mécatronique est une discipline qui est au carrefour de la mécanique et de l'automatique De nombreux systèmes relèvent ainsi de la mécatronique. C'est le cas par exemple des systèmes robotiques. Les dimensions en jeu peuvent être du domaine de la miniaturisation, typiquement le domaine de la micro robotique, ou peuvent être de l'ordre de plusieurs mètres comme dans le cas des grands robots poly-articulés.Mechatronics is a discipline that is at the crossroads of mechanics and automation. Many systems are thus mechatronics. This is the case, for example, with robotic systems. The dimensions involved may be in the field of miniaturization, typically the field of micro robotics, or may be of the order of several meters as in the case of large poly-articulated robots.
Si on considère à titre d'exemple le cas de la micro robotique, un concepteur doit appréhender à la fois deux problèmes, le problème de la miniaturisation et le problème de la commande de ces systèmes. La réalisation de micro robots par miniaturisation de robots traditionnels se heurte à des barrières technologiques et physiques. Les efforts de miniaturisation doivent être appliqués de front dans plusieurs domaines, notamment dans la conception de structures de transmission et d'actionneurs pour l'application de forces et de déplacements dans des volumes de l'ordre d'un centimètre cube. D'autres moyens d'actionnement et de mesure doivent être étudiés, pour atteindre les performances mécaniques, la commandabilité et l'observabilité visées. Cet effet d'échelle, ainsi que la nature des systèmes conçus, tous deux spécifiques de la micro robotique, rendent l'analyse et l'écriture des modèles dynamiques et cinématiques difficiles. Les mouvements sont alors difficilement prédictibles. Les comportements dynamiques sont fortement non-linéaires et les lois de commande sont en conséquence rendues complexes.If we consider for example the case of micro robotics, a designer must understand both problems, the problem of miniaturization and the problem of control of these systems. The realization of micro robots by miniaturization of traditional robots comes up against technological and physical barriers. The miniaturization efforts must be applied simultaneously in several areas, particularly in the design of transmission structures and actuators for the application of forces and displacements in volumes of the order of one cubic centimeter. Other means of actuation and measurement must be studied to achieve the desired mechanical performance, controllability and observability. This scale effect, as well as the nature of the designed systems, both specific to micro robotics, make the analysis and writing of dynamic and kinematic models difficult. The movements are then difficult to predict. Dynamic behaviors are strongly non-linear and the control laws are consequently complicated.
Il y a donc un besoin pour résoudre ce double problème rencontré lors de la conception d'un système relevant de la mécatronique, c'est-à-dire répondre à la fois aux performances mécaniques et aux exigences de commande. Plus généralement, il y a un besoin de répondre au problème de la conception optimale globale de structures mécatroniques, notamment flexibles, d'un double point de vue : mécanique et automatique. En effet, l'utilisation de seuls critères mécaniques, généralement statiques mais aussi quelquefois dynamiques, peut amener à un ensemble de solutions parmi lesquelles beaucoup ne sont pas aptes à être commandées en pratique. Dans le cas notamment des structures micro robotiques flexibles, des solutions sont connues. Le plus souvent, les structures micro robotiques flexibles sont rendues actives par actionnement piézoélectrique, une structure active étant une structure qui intègre son actionnement. En effet, les actionneurs piézoélectriques possèdent des propriétés intéressantes de résolution de force et de bande passante. En revanche, leur faible déformation, de l'ordre de 0,1 %, n'autorise pas de courses importantes et peut limiter les performances du système actionné dans certains cas. De nombreux travaux ont traité de l'optimisation paramétrique d'actionneurs piézoélectriques, cette optimisation étant orientée du point de vue de la mécanique statique. Les conceptions existantes sont essentiellement basées sur l'intuition et/ou l'expérience du concepteur et la méthode d'optimisation permet uniquement d'ajuster les valeurs des paramètres dimensionnels d'une forme prédéfinie. La plupart des optimisations concernent l'amélioration des performances mécaniques d'un actionneur basique, généralement ses débattements. Un actionneur basique peut être notamment une poutre simple uni morphe, bi-morphe ou un actionneur multicouche. Il existe aussi des méthodes implémentées qui permettent d'optimiser la forme d'une structure passive amplificatrice d'un actionneur piézoélectrique basique pour optimiser le débattement de l'assemblage qui en résulte, comme cela est notamment décrit dans l'article de M.Frecker et S.Canfield « Optimal design and expérimental validation of compilant mechanical amplifiers for piezoceramic stack actuators », Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 1 1 , pages 360-369, 2000. Une autre approche générale pour optimiser la conception de structures piézo-actionnées est d'optimiser simultanément ou séparément la taille de l'actionneur, mais pas sa forme. L'article de H.Maddisetty et M.Frecker « Dynamic topology optimization of compilant mechanisms and piezoceramic actuators » ASME Journal of Mechanical Design, Vol. 126, Iss. 6, pages 975- 983, 2004, décrit une solution où l'on optimise séparément la taille de l'actionneur, mais ni sa forme ni sa position. L'article de M.Abdalla et al « Design of a piezoelectric actuator and compilant mechanism combination for maximum energy efficiency », Smart Matehal and Structures, Vol. 14 pages 1421 -1430, 2005, décrit une solution où l'on effectue un chargement dynamique à fréquence donnée et on optimise simultanément la taille de l'actionneur.There is therefore a need to solve this double problem encountered in the design of a system related to mechatronics, that is to say, to meet both the mechanical performance and control requirements. More generally, there is a need to address the problem of the optimal overall design of mechatronic structures, especially flexible, from a dual point of view: mechanical and automatic. Indeed, the use of only mechanical criteria, usually static but also sometimes dynamic, can lead to a set of solutions among which many are not able to be controlled in practice. In the case in particular of flexible micro robotic structures, solutions are known. Most often, the flexible micro robotic structures are made active by piezoelectric actuation, an active structure being a structure that integrates its actuation. Indeed, the piezoelectric actuators have interesting properties of force resolution and bandwidth. On the other hand, their small deformation, of the order of 0.1%, does not allow large strokes and may limit the performance of the system actuated in certain cases. Many studies have dealt with the parametric optimization of piezoelectric actuators, this optimization being oriented from the point of view of static mechanics. Existing designs are essentially based on the intuition and / or experience of the designer and the optimization method only allows the values of the dimensional parameters of a predefined form to be adjusted. Most optimizations concern the improvement of the mechanical performances of a basic actuator, generally its deflections. A basic actuator may be in particular a single beam morphe, bi-morph or a multilayer actuator. There are also implemented methods that make it possible to optimize the shape of a passive amplifying structure of a basic piezoelectric actuator to optimize the resulting movement of the assembly, as described in particular in the M.Frecker article. and S.Canfield "Optimal design and experimental validation of compilant mechanical amplifiers for piezoceramic stack actuators", Journal of Intelligent Materials Systems and Structures, Vol. 1 1, pages 360-369, 2000. Another general approach to optimize the design of piezo-actuated structures is to simultaneously or separately optimize the size of the actuator, but not its shape. H.Maddisetty and M.Frecker's article "Dynamic topology optimization of compiler mechanisms and piezoceramic actuators" ASME Journal of Mechanical Design, Vol. 126, Iss. 6, pages 975-983, 2004, describes a solution where the size of the actuator is optimized separately, but neither its shape nor its position. The article by M. Abdalla et al "Design of a piezoelectric actuator and compiler mechanism combination for maximum energy efficiency", Smart Matehal and Structures, Vol. 14 pages 1421-1430, 2005, describes a solution where dynamic loading is performed at a given frequency and simultaneously optimizes the size of the actuator.
A l'inverse de ces méthodes où les éléments piézoélectriques sont placés a priori sur la structure, plusieurs autres travaux traitent de l'emplacement optimal d'actionneurs sur une structure donnée, comme cela est notamment décrit dans R.Barboni et al « Optimal placement of PZT actuators for the control of beam dynamics », Smart Material and Structures, pages 1 10-120, 2000. Enfin, quelques études considèrent l'optimisation de la forme de l'actionneur piézoélectrique comme le montre par exemple E. C. NeIIi Silva et N.Kikuchi « Design of piezoelectric transducers using topology optimization », Smart Material and Structures, Vol. 8, pages 350-365, USA 1999. Toutes ces optimisations ne prennent pas en compte réellement l'optimisation simultanée de la structure et de l'actionneur, et encore moins l'optimisation complète du système y compris de ses conditions aux limites. D'autres formes d'optimisation connues prennent en compte uniquement l'aspect mécanique. A titre d'exemple, certains micro robots se déplacent en utilisant la technique dite de « stick-slip » comme décrit notamment dans S.Fablbusch et al « Flexible Microbotic System MINIMAN : Design, Actuation Principle and Control », Proc. of th IEEE/ASME International Conférence on Advanced Intelligent Mechatronics, pages 156-161 , Atlanta, Georgia USA, 1999 et exploitent la grande bande passante des actionneurs piéozoélectriques, qui permettent d'obtenir des mouvements à forte dynamique et une utilisation en régimes fréquentiels très rapides. Or, une grande partie des travaux existants en optimisation de mécanismes flexibles dit « compilants » ne se sont intéressés qu'au cas d'applications quasi- statiques, qui peuvent révéler des structures sous-optimales en régime dynamique, voire inappropriées, entraînant par exemple l'apparition de déphasages ou d'amortissements passifs. Les méthodes qui incluent l'analyse et l'optimisation de réponses fréquentielles des structures actives s'intéressent très souvent à la maximisation, ou la minimisation dans le cas applicatif de l'amortissement actif, de l'amplification de débattements ou de forces à un chargement harmonique choisi, l'actionneur étant utilisé à une fréquence choisie, les performances en régime statique étant ignorées, voir l'article de H.Maddisetty et M.Frecker précité. Enfin ces méthodes n'envisagent que très rarement d'optimiser les relations entrées/sorties sur une bande fréquentielle plus large, notamment pour les applications d'amortissement.In contrast to these methods where the piezoelectric elements are placed a priori on the structure, several other works deal with the optimal location of actuators on a given structure, as described in particular in R.Barboni et al. [0003] Finally, some studies consider optimizing the shape of the piezoelectric actuator as shown, for example, by EC NeIIi Silva and N. .Kikuchi "Design of piezoelectric transducers using topology optimization", Smart Material and Structures, Vol. 8, pages 350-365, USA 1999. All these optimizations do not really take into account the simultaneous optimization of the structure and the actuator, let alone the complete optimization of the system including its boundary conditions. Other known forms of optimization take into account only the mechanical aspect. For example, some micro robots move using the so-called "stick-slip" technique as described in particular in S.Fablbusch et al "Flexible Microbotic System MINIMAN: Design, Actuation Principle and Control", Proc. of IEEE / ASME International Conference on Intelligent Advanced Mechatronics, pages 156-161, Atlanta, Georgia USA, 1999 and exploit the high bandwidth of piezoelectric actuators, which allow for high dynamic range motions and very high frequency utilization. fast. However, a large part of the existing work in optimizing flexible mechanisms called "compilers" is only concerned with the case of quasi-static applications, which can reveal sub-optimal structures in dynamic regime, or even inappropriate, resulting for example the appearance of phase shifts or passive damping. Methods that include the analysis and optimization of frequency responses of active structures very often focus on maximizing, or minimizing in the case of application of active damping, the amplification of deflections or forces at one time. selected harmonic loading, the actuator being used at a chosen frequency, static performance being ignored, see the article by H.Maddisetty and M.Frecker supra. Finally, these methods rarely envisage optimizing the input / output relationships over a wider frequency band, especially for damping applications.
En ce qui concerne la commande des systèmes flexibles, une première difficulté rencontrée est l'identification préalable de tous les modes dominants. Cette étape, nécessaire, permet la construction d'un modèle réduit approprié. Or, celui-ci doit répondre à un double objectif, d'une part être d'un ordre raisonnable pour ne pas complexifier a posteriori la synthèse du régulateur et d'autre part être le plus proche possible du comportement dynamique du système flexible réel, qui est généralement fortement résonant. Un certain nombre d'approches pour la réduction de modèles existent, parmi lesquels la technique basée sur la réalisation équilibrée. Cette technique est généralement fondée sur un ordre de réduction du modèle complet qui, en réalité, est de dimension quasi-infinie. De cette technique, il ressort la difficulté du choix de l'ordre pour le modèle réduit et par conséquent de la précision de ce dernier vis-à-vis du modèle non tronqué. Une deuxième difficulté réside notamment dans le choix à adopter sur la stratégie et la synthèse proprement dite de la loi de commande face à de tels systèmes au comportement très oscillant.With regard to the control of flexible systems, a first difficulty encountered is the prior identification of all the dominant modes. This necessary step allows the construction of an appropriate reduced model. However, it must meet a dual objective, firstly be of a reasonable order not to complicate a posteriori the synthesis of the regulator and secondly be as close as possible to the dynamic behavior of the real flexible system, which is usually strongly resonant. A number of approaches to model reduction exist, including the technique of balanced realization. This technique is generally based on a reduction order of the complete model which, in reality, is of almost infinite dimension. From this technique, it emerges the difficulty of choosing the order for the reduced model and consequently the accuracy of the latter with respect to the non-truncated model. A second difficulty lies in the choice to be adopted on the strategy and the actual synthesis of the control law against such systems with very oscillating behavior.
Un but de l'invention est de pallier les inconvénients des méthodes précitées, en permettant, pour la réalisation d'un système mécatronique flexible, de prendre en compte des critères très variés pour permettre d'une part de faciliter le calcul d'un modèle réduit le plus précis possible, et d'autre part de faciliter la commande du comportement vibratoire de ce type de structure. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'un système mécatronique flexible, comportant au moins : - une étape de modélisation du système par un maillage aux éléments finis;An object of the invention is to overcome the disadvantages of the aforementioned methods, allowing, for the realization of a flexible mechatronics system, to take into account very varied criteria to allow on the one hand to facilitate the calculation of a model reduced as precise as possible, and secondly to facilitate the control of the vibratory behavior of this type of structure. To this end, the subject of the invention is a method for producing a flexible mechatronic system, comprising at least: a step of modeling the system by a finite element mesh;
- une étape de simulation du comportement d'un nœud terminal (68) du modèle en réponse en boucle ouverte à un signal de commande ;a step of simulating the behavior of a terminal node (68) of the model in open-loop response to a control signal;
- une étape de caractérisation de ladite réponse par au moins un critère mécanique et au moins un critère numérique J/ représentatif de l'amplitude relative des pics de résonance de ladite réponse en fonction de la fréquence, ces pics de résonance étant respectivement choisis en amont et en aval d'un numéro de mode pré-déterminé ; les étapes précédentes étant susceptibles d'être réitérées, ces étapes étant suivies d'une étape de sélection d'une conception obtenue en fonction des critères définis dans l'étape de caractérisation, le système étant réalisé à partir de la conception sélectionnée. Le critère J/ est par exemple défini par la relation suivante :a step of characterizing said response by at least one mechanical criterion and at least one numerical criterion J representative of the relative amplitude of the resonance peaks of said response as a function of the frequency, these resonance peaks being respectively chosen upstream and downstream of a predetermined mode number; the preceding steps being capable of being repeated, these steps being followed by a step of selecting a design obtained according to the criteria defined in the characterization step, the system being made from the selected design. The criterion J / is for example defined by the following relation:
où k est le nombre des premiers modes devant être dominants par rapport à tous les autres modes de ladite réponse en fréquence et O1 , défini à partir de la représentation d'état qui caractérise complètement la relation entrée/sortie du mécanisme, est la i-ème Valeur Singulière de Hankel du système flexible. Dans une mise en œuvre possible du procédé, l'étape de caractérisation comporte un autre critère numérique J2 k représentatif de l'alternance des résonances et antirésonances de la réponse dans le domaine fréquentiel, dans une bande de fréquences choisie. Le critère J2 k est par exemple défini par la relation suivante : where k is the number of the first modes to be dominant with respect to all the other modes of said frequency response and O 1 , defined from the state representation which completely characterizes the input / output relation of the mechanism, is the i Hankel's Singular Value of the Flexible System. In one possible implementation of the method, the characterization step comprises another numerical criterion J 2 k representative of the alternation of the resonances and antiresonances of the response in the frequency domain, in a selected frequency band. The criterion J 2 k is for example defined by the following relation:
/* = ∑signiçfr)/ * = Σsigniçfr)
I=I où k est le nombre de premiers modes de résonance de ladite réponse en fréquence et C1 et bι représentent respectivement l'influence des capteurs et actionneurs sur la réponse fréquentielle entrée/sortie du système. Un mode de réalisation est par exemple sélectionné lorsque le critère J/ est supérieur à une valeur choisie par l'utilisateur/le concepteur.I = I where k is the number of first resonance modes of said frequency response and C 1 and b ι respectively represent the influence of the sensors and actuators on the input / output frequency response of the system. An embodiment is for example selected when the criterion J / is greater than a value chosen by the user / designer.
Un mode de réalisation est par exemple sélectionné lorsque le critère J2 k est supérieur à une valeur donnée.An embodiment is for example selected when the criterion J 2 k is greater than a given value.
Le maillage peut être composé d'une combinaison de blocs élémentaires à déterminer, chaque bloc autorisé étant formé d'un assemblage prédéfini de segments représentant des poutres élémentaires, ledit maillage comportant au moins un bloc actif commandable au moyen d'un signal de commande.The mesh may be composed of a combination of elementary blocks to be determined, each authorized block being formed of a predefined assembly of segments representing elementary beams, said mesh comprising at least one active block controllable by means of a control signal.
Dans un autre mode de mise en œuvre possible, le maillage étant composé d'une combinaison de blocs élémentaires à déterminer, chaque bloc autorisé étant formé d'un assemblage prédéfini de segments représentant des poutres élémentaires, le maillage comporte au moins un nœud commandable au moyen d'un signal de commande.In another possible embodiment, the mesh being composed of a combination of elementary blocks to be determined, each authorized block being formed of a predefined assembly of segments representing elementary beams, the mesh comprises at least one node controllable at means of a control signal.
Les blocs sont par exemple issus d'une bibliothèque de blocs prédéfinis.The blocks are for example from a library of predefined blocks.
Une commande d'un bloc actif peut s'exercer par un signal de déformation d'une au moins de ses poutres.A command of an active block can be exerted by a deformation signal of at least one of its beams.
Un critère mécanique statique est par exemple le déplacement δx du nœud terminal.A static mechanical criterion is for example the displacement δ x of the terminal node.
Le nœud terminal étant un effecteur, un critère mécanique est la valeur de la force qu'il applique au milieu extérieur Fx, par exemple la force de serrage. D'autres critères mécaniques peuvent être utilisés, par exemple des contraintes, des énergies de déformation ou déplacements parasites.The terminal node being an effector, a mechanical criterion is the value of the force that it applies to the external environment F x , for example the clamping force. Other mechanical criteria may be used, for example stresses, deformation energies or parasitic displacements.
Le signal de commande est par exemple un signal de tension ou de courant électrique.The control signal is for example a voltage or electric current signal.
Le système est par exemple un actionneur piézoélectrique, toutes les poutres constituant un bloc actif étant commandées par un signal de tension électrique.The system is for example a piezoelectric actuator, all the beams constituting an active block being controlled by a voltage signal.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1 , un exemple de bibliothèque de blocs flexibles élémentaires utilisés pour une modélisation réduite d'un système mécatronique flexible ;Other features and advantages of the invention will become apparent from the description which follows, with reference to appended drawings which represent: FIG. 1, an example of a library of elementary flexible blocks used for reduced modeling of a flexible mechatronic system;
- la figure 2, une illustration d'une poutre piézoélectrique, partie élémentaire constitutive d'un système ou actionneur piézoélectrique ; - la figure 3, une représentation curviligne de la poutre piézoélectrique précédente représentée par un segment et son orientation dans un système d'axes ;FIG. 2, an illustration of a piezoelectric beam, the elementary part constituting a piezoelectric system or actuator; FIG. 3, a curvilinear representation of the preceding piezoelectric beam represented by a segment and its orientation in a system of axes;
- la figure 4, une forme souhaitée, pouvant être considérée comme idéale, de réponse fréquentielle d'un système mécatronique flexible ; - les figures 5a et 5b, les lieux des pôles et des zéros de la réponse fréquentielle d'un système colocalisé, respectivement non amorti et légèrement amorti ;- Figure 4, a desired form, which can be considered ideal, frequency response of a flexible mechatronic system; - Figures 5a and 5b, the locations of the poles and zeros of the frequency response of a co-located system, respectively unamortized and slightly damped;
- la figure 6, un exemple de maillage d'un système mécatronique flexible dont les blocs élémentaires le constituant sont à définir, en vue de la conception du système ;FIG. 6, an example of a mesh of a flexible mechatronic system whose elementary blocks constituting it are to be defined, with a view to the design of the system;
- les figures 7a à 7d, des exemples de structures de systèmes flexibles modélisées par un assemblage de blocs basés sur le maillage précédent ; - les figures 8 à 1 1 , des illustrations de la réponse fréquentielle en boucle ouverte de chacune des structures précédentes.FIGS. 7a to 7d, examples of flexible system structures modeled by an assembly of blocks based on the previous grid; FIGS. 8 to 11 show illustrations of the open-loop frequency response of each of the preceding structures.
La figure 1 présente un exemple de bibliothèque de blocs flexibles élémentaires actifs et passifs utilisée dans une méthode de conception de mécanismes flexibles. Cette méthode plus générale est notamment décrite dans les documents suivants :Figure 1 shows an example of a library of active and passive elementary flexible blocks used in a method of designing flexible mechanisms. This more general method is notably described in the following documents:
- Grossard M., Rotinat-Libersa C, Chaillet N., Perrot Y., "Flexible building blocks method for the optimal design of compilant mechanisms using piezoelectric material", 12th IFToMM World Congress, Besançon, France, 2007;- Grossard M., Rotinat-Libersa C, N Chaillet, Perrot Y., "12th IFToMM World Congress, Besancon, France, 2007," Flexible building blocks method for the optimal design of compilant mechanisms using piezoelectric material ";
- Grossard M., Rotinat-Libersa C, Chaillet N., "Gramian-based optimal design of a dynamic stroke amplifier compilant micro-mechanism", IEEE/RSJ International Conférence on Robots and Systems, San Diego, USA, 2007; - Bernardoni P., and al., "A new compilant mechanism design methodology based on flexible building blocks", Proceedings of Smart Structures - SPIE Modeling, Signal processing and Control Conférence, San Diego, USA, vol. 5383, pp. 244-254, USA, march 2004 ; - Rotinat-Libersa C, Perrot Y., Friconneau J. -P., "Potentialités of optimal design methods and associated numerical tools for the development of new micro- and nano- intelligent Systems based on structural compliance - An example -", IARP- IEEE/RAS-EURON Joint Workshop on Micro and Nano Robotics, Paris, France, 2006. La bibliothèque de la figure 1 comporte par exemple 36 éléments passifs et 19 éléments rendus actifs par effet piézoélectrique 4. Cette bibliothèque permet de construire une grande variété de topologies de structures. Chaque bloc élémentaire 1 , 2, 4 est par ailleurs constitué par un assemblage prédéfini de poutres élémentaires, ou segment 3.- Grossard M., Rotinat-Libersa C, N. Chaillet, "Gramian-based Optimal Design of a Dynamic Stroke Compiler-micro-mechanism", IEEE / RSJ International Conference on Robots and Systems, San Diego, USA, 2007; Bernardoni P., et al., "A new compiler mechanism design methodology based on flexible building blocks", Proceedings of Smart Structures - SPIE Modeling, Signal Processing and Control Conference, San Diego, USA, vol. 5383, pp. 244-254, USA, 2004 market; - Rotinat-Libersa C, Perrot Y., Friconneau J.-P., "Potentialities of optimal design methods and associated numerical tools for the development of new micro- and nano-intelligent Systems based on structural compliance - An example -", IARP - IEEE / RAS-EURON Joint Workshop on Micro and Nano Robotics, Paris, France, 2006. The library of FIG. 1 comprises, for example, 36 passive elements and 19 elements made active by piezoelectric effect 4. This library makes it possible to construct a large variety of topologies of structures. Each elementary block 1, 2, 4 is also constituted by a predefined assembly of elementary beams, or segment 3.
La spécification du problème de conception optimale de systèmes flexibles considère, dans un encombrement donné, différentes conditions aux limites : les points de liaison entre le mécanisme et le bâti (position et liste des degrés de liberté bloqués), les entrées (actionneurs), les sorties (nœuds effecteurs), les contacts. Pour ce qui est de l'actionnement, plusieurs principes peuvent être envisagés :The specification of the problem of optimal design of flexible systems considers, in a given size, different boundary conditions: the connection points between the mechanism and the frame (position and list of degrees of freedom blocked), the inputs (actuators), the outputs (effector nodes), contacts. With regard to actuation, several principles can be envisaged:
• soit des actionneurs en force ou déplacement pouvant agir en des nœuds particuliers de la structure,• either actuators in force or displacement that can act in particular nodes of the structure,
• soit des blocs actifs issus de la bibliothèque correspondante ; ces blocs peuvent être constitués de matériau piézoélectrique dont les surfaces supérieures et inférieures sont chacune recouvertes d'une surface conductrice (appelée électrode) et soumises à des potentiels électriques.• either active blocks from the corresponding library; these blocks may be made of piezoelectric material whose upper and lower surfaces are each covered with a conductive surface (called an electrode) and subjected to electrical potentials.
L'intérêt d'utiliser des blocs flexibles actifs de topologies variées au lieu de simples poutres piézoélectriques est que cela permet de coupler les degrés de liberté, pour générer des mouvements complexes dans un encombrement restreint.The advantage of using active flexible blocks of various topologies instead of simple piezoelectric beams is that it allows to couple the degrees of freedom, to generate complex movements in a small footprint.
Un but de l'étape de conception consiste donc à chercher une distribution optimale de blocs flexibles dans un encombrement donné, ainsi que le jeu optimal de paramètres (variables d'optimisation : matériaux, dimensions, conditions aux limites y compris actionneurs...) qui définissent des structures mécatroniques flexibles, dont les performances (objectifs à optimiser) sont les plus proches de celles spécifiées dans un cahier des charges donné. Des variables et des critères d'optimisation sont utilisés. En ce qui concerne les variables d'optimisation, plusieurs paramètres peuvent être utilisés pour définir les structures. Certains de ces paramètres peuvent être ou non optimisés, notamment : o les points fixés au bâti (nombre, emplacement, degré de liberté concerné), o la topologie de la structure (types de blocs flexibles de la bibliothèque, leur nature -actifs et/ou passifs-, et leur agencement), o le (ou les) matéhau(x) constituant les blocs passifs et leur épaisseur o l'épaisseur et la différence de potentiel électrique entre l'électrode supérieure et l'électrode inférieure (pour les blocs actifs, qui sont actuellement en matériau piézoélectrique) o les contacts unilatéraux entre la structure et le bâti, ou entre deux parties de la structure (nombre, degré de liberté concerné, jeu et emplacement), o les actionneurs (nombre, type d'actionnement, point d'action, degré de liberté concerné et amplitude), o les capteurs (nombre et emplacement uniquement, à l'heure actuelle).A goal of the design stage is therefore to seek an optimal distribution of flexible blocks in a given space, as well as the optimal set of parameters (optimization variables: materials, dimensions, boundary conditions including actuators ...) which define flexible mechatronic structures whose performances (objectives to be optimized) are the closest to those specified in a given specification. Variables and optimization criteria are used. For optimization variables, several parameters can be used to define structures. Some of these parameters may or may not be optimized, including: o points fixed to the frame (number, location, degree of freedom concerned), o the topology of the structure (types of flexible blocks of the library, their nature -active and / or passive-and their arrangement), o the (or) matéhau (x) constituting the passive blocks and their thickness o l ' thickness and electrical potential difference between the upper electrode and the lower electrode (for active blocks, which are currently made of piezoelectric material) o unilateral contacts between the structure and the frame, or between two parts of the structure (number , degree of freedom concerned, play and location), o the actuators (number, type of actuation, action point, degree of freedom concerned and amplitude), o sensors (number and location only, at present) .
Les critères mécaniques disponibles, pour un modèle statique, sont notamment : o Déplacement libre des degrés de libertés (ddls) de sortie o Avantage géométrique, i.e. amplification du ratio déplacement sortie sur déplacement entrée o Force de blocage des degrés de liberté de sortie o Avantage mécanique, i.e. amplification du ratio force sortie sur force entrée o Inverse de l'énergie de déformation o Inverse des déplacements orthogonaux au déplacement de sortie o Manipulabilité o Masse o Contrainte mécanique maximale o Charge critique de flambage.The mechanical criteria available, for a static model, include: o Free movement of the degrees of freedom (ddls) output o Geometric advantage, ie amplification of the ratio displacement output on displacement input o Blocking force of degrees of freedom of output o Advantage mechanical, ie amplification of the ratio of the force output on the input force o Inverse of the strain energy o Inverse of the orthogonal displacements to the output displacement o Manipulation o Mass o Maximum mechanical stress o Critical buckling load.
D'autres critères liés à la mécanique sont disponibles pour un modèle dynamique. Ceux-ci utilisent une formulation propre au domaine de l'automatique, basée sur les grammiens de commandabilité et d'observabilité. Ces grammiens sont calculés à partir d'une représentation d'état qui a pour entrée un nœud actionné, ou commandé, et pour sortie un nœud unique comme décrit notamment dans le document « Gramian-based optimal design of a dynamic stroke amplifier compilant micro-mechanism » précité. Par exemple, dans ce document, deux critères sont :Other criteria related to mechanics are available for a dynamic model. These use a formulation specific to the field of automatics, based on the grammars of controllability and observability. These grammars are calculated from a state representation that has an input node driven, or commanded, and output a single node as described in particular in the document "Gramian-based optimal design of a dynamic stroke amplifying compiler micro-mechanism" above. For example, in this document, two criteria are:
• décaler la première résonnance du système au-delà d'une fréquence limite choisie. Ce critère considère de façon absolue tous les premiers modes peu influents dans le comportement entrée-sortie du système, sans s'intéresser aux modes suivants. En outre, ce procédé vise à minimiser l'influence des premiers modes uniquement.• shift the first resonance of the system beyond a chosen limit frequency. This criterion considers in an absolute way all the first modes that are not very influential in the input-output behavior of the system, without being interested in the following modes. In addition, this method aims to minimize the influence of the first modes only.
• éviter la présence de résonnances dans un intervalle de fréquences choisies pour par exemple filtrer des mouvements indésirables transmis depuis la base vers la sortie.• Avoid the presence of resonances in a range of frequencies chosen for example filter unwanted movements transmitted from the base to the output.
Une méthode d'optimisation stochastique utilisée est par exemple un algorithme génétique inspiré du code décrit dans Deb K., and al., "A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: Nsga-ll", Proc. of the 6th Int. Conf. on Parallel Problem Solving from Nature, pp. 849-858, France, 2000. La méthode de conception optimale utilise ce principe d'optimisation qui permet une vraie optimisation multicritères (sans pondération a priori d'un critère par rapport à un autre), et l'utilisation de variables discrètes. Dans cette méthode, on conçoit un paramétrage discret adapté à la spécification de structures mécatroniques flexibles. La structure de l'algorithme est par exemple organisée comme suit :A stochastic optimization method used is for example a genetic algorithm inspired by the code described in Deb K., et al., "A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: Nsga-ll", Proc. of the 6th Int. Conf. on Parallel Problem Solving from Nature, pp. 849-858, France, 2000. The optimal design method uses this optimization principle which allows a real multicriteria optimization (without a priori weighting of one criterion compared to another criterion), and the use of discrete variables. In this method, we design a discrete parameterization adapted to the specification of flexible mechatronic structures. The structure of the algorithm is for example organized as follows:
• Au vu du cahier des charges du système à concevoir, le concepteur renseigne les valeurs admissibles pour les paramètres (qui sont les variables à optimiser) ; • L'algorithme synthétise des individus puis les évalue selon les critères choisis par le concepteur ;• Given the specifications of the system to be designed, the designer informs the permissible values for the parameters (which are the variables to be optimized); • The algorithm synthesizes individuals and then evaluates them according to the criteria chosen by the designer;
• Les opérateurs stochastiques, propres aux algorithmes génétiques, modifient la description des structures par des manipulations sur leurs variables discrètes, de façon à synthétiser de nouvelles structures, qui sont ensuite évaluées comme à la génération précédente ;• Stochastic operators, specific to genetic algorithms, modify the description of structures by manipulations on their discrete variables, so as to synthesize new structures, which are then evaluated as in the previous generation;
• Un nouveau cycle de synthèse et d'évaluation est effectué, et ainsi de suite, jusqu'à convergence de l'algorithme (atteinte de l'optimum global) ; • Lorsque la convergence est atteinte, l'algorithme de conception fournit un ensemble de solutions pseudo-optimales, restituées sur un (ou plusieurs dans le cas de plus de 2 critères) fronts de Pareto bidimensionnels. Ensuite, le concepteur choisit et interprète les structures obtenues qui répondent de manière optimale à son cahier des charges. Le processus d'optimisation repose ainsi sur une technique d'optimisation stochastique (algorithme génétique) dans laquelle les solutions candidates sont considérées comme les individus d'une population. Elles sont paramétrées par des chromosomes, eux-mêmes fait de gènes. La population entière évolue avec des opérateurs simplifiés inspirés de la génétique, tels que la sélection, la mutation et le croisement. Par exemple, le génotype d'un assemblage de blocs flexibles est codé par une matrice d'entiers, chacun des entiers faisant référence aux blocs des bibliothèques actives et passives de la figure 1. Dans un exemple d'implémentation mise en œuvre, les blocs actifs sont par exemple dominants sur les blocs passifs, qui sont eux-mêmes dominants sur un bloc vide.• A new cycle of synthesis and evaluation is carried out, and so on, until convergence of the algorithm (achievement of the global optimum); • When convergence is reached, the design algorithm provides a set of pseudo-optimal solutions, restituted on one (or more in the case of more than 2 criteria) two-dimensional Pareto fronts. Then, the designer chooses and interprets the resulting structures that respond optimally to his specifications. The optimization process is based on a stochastic optimization technique (genetic algorithm) in which the candidate solutions are considered as individuals of a population. They are parameterized by chromosomes, themselves made of genes. The entire population evolves with simplified operators inspired by genetics, such as breeding, mutation and crossbreeding. For example, the genotype of a flexible block assembly is encoded by an array of integers, each of the integers referring to the active and passive library blocks of FIG. 1. In an implementation example implemented, the blocks For example, assets are dominant on passive blocks, which are themselves dominant on an empty block.
Une modélisation des blocs flexibles élémentaires piézoélectrique 2 peut être mise en œuvre. Pour cette modélisation, seuls les déplacements et forces contenus dans le plan de la structure sont considérés. Il est par exemple fait l'hypothèse que les mécanismes flexibles sont soumis à des déformations structurelles, résultant principalement des flexions des poutres constituant les blocs tels qu'illustrés par exemple par la figure 1. Ainsi, le modèle adopté pour les blocs est obtenu en considérant les hypothèses de Navier-Bernoulli. Les paramètres définissant les blocs sont l'épaisseur, le matériau, la largeur et la hauteur (et la différence de potentiel électrique entre les électrodes supérieure et inférieure pour les blocs actifs). Les caractéristiques du matériau de chaque bloc sont paramétrées par son module d'Young, son coefficient de Poisson, sa limite élastique, sa densité (et les coefficients de couplage piézoélectriques pour les blocs actifs). Avant d'obtenir la formulation du modèle des blocs piézoélectriques, un modèle de la poutre simple est tout d'abord nécessaire. La figure 2 illustre une poutre piézoélectrique 20 avec des électrodes 21 , 22 parfaitement réparties sur ses faces supérieures et inférieures, polarisées avec des potentiels φ-i, φ2 selon l'épaisseur, et orientée dans un repère d'orthotropie (e-i, e2, e3). Sous l'effet du couplage piézoélectrique transverse, une déformation longitudinale Su est occasionnée le long de la dimension L par le champ électrique E3 selon l'épaisseur. Considérant la forme unidimensionnelle des équations piézoélectriques selon l'axe longitudinal de la poutre, les matrices de couplage piézoélectrique d, de permittivité électrique ε et de compatibilité s sont chacune représentées par un coefficient scalaire, d31, ε33 et s-n respectivement. Les relations constitutives de la piézoélectricité pour la déformation Su et le déplacement électrique D3 en fonction de la contrainte T11 et du champ électrique E3 sont dans ce cas ramenées à :A modeling of the piezoelectric elementary flexible blocks 2 can be implemented. For this modeling, only displacements and forces contained in the plane of the structure are considered. For example, it is assumed that the flexible mechanisms are subjected to structural deformations, mainly resulting from the bending of the beams constituting the blocks as illustrated for example in Figure 1. Thus, the model adopted for the blocks is obtained by considering Navier-Bernoulli's hypotheses. The parameters defining the blocks are the thickness, the material, the width and the height (and the electrical potential difference between the upper and lower electrodes for the active blocks). The characteristics of the material of each block are parameterized by its Young's modulus, its Poisson's ratio, its elastic limit, its density (and the piezoelectric coupling coefficients for the active blocks). Before obtaining the formulation of the piezoelectric block model, a simple beam model is first needed. FIG. 2 illustrates a piezoelectric beam 20 with electrodes 21, 22 perfectly distributed on its upper and lower faces, polarized with potentials φ-i, φ 2 depending on the thickness, and oriented in an orthotropic reference (ei, e 2 , e 3 ). Under the effect of transverse piezoelectric coupling, a longitudinal strain Su is caused along the dimension L by the electric field E 3 depending on the thickness. Considering the unidimensional shape of the piezoelectric equations along the longitudinal axis of the beam, the piezoelectric coupling d, electrical permittivity ε and compatibility s matrices are each represented by a scalar coefficient, d 31 , ε 33 and sn respectively. The constituent relationships of the piezoelectricity for the deformation Su and the electrical displacement D 3 as a function of the stress T 11 and of the electric field E 3 are in this case reduced to:
La figure 3 illustre une représentation curviligne de la poutre piézoélectrique 20, représentée par un segment AB, et son orientation dans un système de repère global (O, x, y, z) avec les efforts RA, RB et les moments nodaux HA, HB aux extrémités de la poutre. Le champ de déplacement sur un élément de poutre piézoélectrique est décrit par ses composantes longitudinale u, tangentielle i/et rotationnelle w à l'abscisse curviligne xp (figure 3). Il est exprimé par rapport aux valeurs nodales correspondantes de la poutre, dans le système de coordonnées de la poutre RP = (A, Xp, yp, Zp ) : FIG. 3 illustrates a curvilinear representation of the piezoelectric beam 20, represented by a segment AB, and its orientation in a global reference system (O, x, y, z) with the forces R A , R B and the nodal moments H A , H B at the ends of the beam. The displacement field on a piezoelectric beam element is described by its longitudinal components u, tangential i / and rotational w at the curvilinear abscissa x p (FIG. 3). It is expressed relative to the corresponding nodal values of the beam, in the coordinate system of the beam R P = (A, Xp, yp, Zp)
Le principe d'Hamilton, généralisé aux systèmes électromécaniques, fournit le modèle du comportement dynamique de la poutre piézoélectrique décrit par exemple dans A.Preumont « Mechatronics : Dynamics of Electromechanical and Piezoelectric Systems (Solid Mechanics and its Applications) », published by Springer, September 25, 2006, :The Hamilton principle, generalized to electromechanical systems, provides the model of the dynamic behavior of the piezoelectric beam described for example in A.Preumont "Mechatronics: Dynamics of Electromechanical and Piezoelectric Systems (Solid Mechanics and its Applications)", published by Springer, September 25, 2006,:
Mbx\b + Kbx\b = GbΦb + Εrb (2) Les différentes matrices sont calculées sous les hypothèses d'un champ de déplacement interpolé aux nœuds de la poutre, par les fonctions de forme propres aux poutres de Navier-Bernoulli :M b x \ b + K b x \ b = G b Φ b + Εr b (2) The different matrices are calculated under the assumptions of a displacement field interpolated at the nodes of the beam, by the shape functions specific to the Navier-Bernoulli beams:
- Mb désigne la matrice masse ; - Kb désigne la matrice raideur ;M b denotes the mass matrix; K b denotes the stiffness matrix;
- Gb désigne la matrice de couplage électromécanique, qui induit le chargement piézoélectrique permettant de réaliser la contraction ou l'élongation de la poutre proportionnellement à la différence de potentiels φi - φ2 ; - Φb = (φ-i, φ2 )f est le vecteur des potentiels électriques sur les faces supérieures et inférieures de la poutre piézoélectrique ;- G b denotes the electromechanical coupling matrix, which induces the piezoelectric loading to achieve contraction or elongation of the beam proportionally to the potential difference φi - φ 2 ; - Φ b = (φ-i, φ 2) f is the vector of the electric potentials on the upper and lower faces of the piezoelectric beam;
- Fr6 = (R* R^ H^ R* RB y H| )f est le vecteur des forces nodales mécaniques.- Fr 6 = (R * R ^ H ^ R * R B y H |) f is the vector of mechanical nodal forces.
Tout comme pour les blocs passifs, les matrices de masse MB , raideur KB et couplage GB de chaque bloc actif sont obtenues par assemblage matriciel des matrices de masse Mb', raideur Kb', et couplage Gb' de chaque poutre constitutive des blocs. Chacune de ces dernières matrices est exprimée dans le repère global R'=(0, x, y, z) selon la formule de changement de base par :As for the passive blocks, the mass matrices M B , stiffness K B and coupling G B of each active block are obtained by matrix assembly of the mass matrices M b ', stiffness K b ', and coupling G b 'of each constituent beam of the blocks. Each of these latter matrices is expressed in the global coordinate system R '= (0, x, y, z) according to the basic change formula by:
M6 = PfM6PM 6 = P f M 6 P
K6 = P K6PK 6 = PK 6 P
G6 = P G, où P est une matrice de changement de repère obtenue classiquement.G 6 = PG, where P is a marker change matrix conventionally obtained.
Avant de réaliser une optimisation, les matrices masse, raideur et couplage électromécanique de tous les blocs de la bibliothèque sont calculées numériquement, et ce, en considérant toutes les combinaisons possibles des différentes valeurs discrètes autorisées par un concepteur pour les variables d'optimisation (matériaux, taille des blocs...). Ce calcul est réalisé une seule fois. Les résultats sont gardés en mémoire, ce qui permet d'économiser du temps de calcul pendant les processus d'itération des étapes d'optimisation. Durant l'optimisation, l'évaluation des différents critères spécifiés par le concepteur fait appel au calcul du modèle de comportement statique ou dynamique des structures, selon que sont considérés des critères mécaniques statiques, dynamiques ou orientés automatique. Dans le cas dynamique et piézoélectrique (qui est le plus complet), les matrices (exprimées dans le repère R') de tous les blocs constitutifs de la structure sont assemblées pour décrire le comportement conservatif du mécanisme selon : M,ή, + K,η, = G,Φ, + Fr, (3)Before performing an optimization, the matrices mass, stiffness and electromechanical coupling of all the blocks of the library are calculated numerically, and this, considering all the possible combinations of the different discrete values authorized by a designer for the optimization variables (materials , block size ...). This calculation is done once. The results are kept in memory, which saves computing time during the iteration processes of the optimization steps. During the optimization, the evaluation of the different criteria specified by the designer uses the computation of the model of static or dynamic behavior of the structures, according to which are considered static mechanical criteria, dynamic or oriented automatic. In the dynamic and piezoelectric case (which is the most complete), the matrices (expressed in the reference R ') of all the constituent blocks of the structure are assembled to describe the conservative behavior of the mechanism according to: M, ή, + K, η, = G, Φ, + Fr, (3)
Cet assemblage est réalisé pendant le processus d'optimisation pour chaque individu et à chaque génération. Dans la relation (3), ηg fait référence aux déplacements nodaux de la structure-treillis discrétisée en blocs, eux-mêmes discrétisés en poutres. Φg désigne les potentiels électriques appliqués aux électrodes supérieures et inférieures de chaque bloc, et Fr9 les forces mécaniques extérieures appliquées au système.This assembly is performed during the optimization process for each individual and each generation. In relation (3), η g refers to the nodal displacements of the lattice structure discretized into blocks, themselves discretized into beams. Φ g denotes the electrical potentials applied to the upper and lower electrodes of each block, and Fr 9 the external mechanical forces applied to the system.
Dans le cas du calcul dynamique d'une structure purement passive, l'équation (3) se simplifie selon :In the case of the dynamic calculation of a purely passive structure, equation (3) is simplified according to:
MA Λ =Fr, Les forces actionneurs sont considérées cette fois-ci comme toutes externes à la structure et comprises dans le terme Fr9. M A + κ Λ = Fr , Actuator forces are considered this time as all external to the structure and included in the term Fr 9 .
Dans le cas du calcul du comportement statique d'une structure piézoélectrique, l'équation se ramène à : K η? =G Φ +FrIn the case of calculating the static behavior of a piezoelectric structure, the equation can be reduced to: K η ? = G Φ + Fr
Enfin, dans le cas du calcul du comportement statique d'une structure passive, l'équation se ramène à : K^ =Fr^ .Finally, in the case of the computation of the static behavior of a passive structure, the equation can be reduced to: K ^ = Fr ^.
Selon l'invention, deux critères numériques Ji et J2 sont utilisés pour l'évaluation des performances dynamiques du transfert entrée-sortie des systèmes mécatroniques flexibles. Plus particulièrement, ces deux critères permettent de définir une stratégie d'optimisation en vue de la commande ultérieure des systèmes mécatroniques flexibles à réaliser. Les critères Ji et J2 portent sur la réponse en boucle ouverte de ces structures. Ils permettent notamment à la réponse fréquentielle entrée-sortie de respecter certains gabarits et certaines contraintes portant sur la contrôlabilité et l'observabilité jointes de certains modes de vibration. Le critère Ji porte notamment sur l'amplitude de la réponse fréquentielle en boucle ouverte d'un système et le critère J2 porte notamment sur la phase de cette réponse fréquentielle. Ces deux critères Ji et J2 permettent de caractériser respectivement les propriétés dynamiques d'un modèle de système, en amplitude et en phase. Une première difficulté rencontrée lors de la commande de systèmes flexibles est l'identification préalable des modes dominants. Cette étape, nécessaire, permet la construction d'un modèle réduit approprié devant, dans l'idéal, répondre à un double objectif, d'une part être d'un ordre raisonnable pour ne pas complexifier a posteriori la synthèse du régulateur et d'autre part être le plus proche possible du comportement dynamique du système flexible réel, qui est généralement fortement résonant.According to the invention, two numerical criteria Ji and J 2 are used to evaluate the dynamic performance of input-output transfer of flexible mechatronic systems. More particularly, these two criteria make it possible to define an optimization strategy with a view to the subsequent control of the flexible mechatronic systems to be produced. Criteria Ji and J 2 relate to the open-loop response of these structures. In particular, they allow the frequency input-output response to respect certain templates and constraints on the controllability and observability of certain modes of vibration. The criterion Ji relates in particular to the amplitude of the open-loop frequency response of a system and the criterion J 2 relates in particular to the phase of this frequency response. These two criteria Ji and J 2 make it possible respectively to characterize the dynamic properties of a system model, in amplitude and in phase. A first difficulty encountered when ordering flexible systems is the prior identification of the dominant modes. This step, which is necessary, allows the construction of an appropriate reduced model which, ideally, must meet a double objective, on the one hand to be of a reasonable order so as not to complicate a posteriori the synthesis of the regulator and of on the other hand, to be as close as possible to the dynamic behavior of the real flexible system, which is generally strongly resonant.
Une deuxième difficulté réside notamment dans le choix à adopter sur la stratégie et la synthèse proprement dite de la loi de commande face à de tels systèmes au comportement très oscillant. Face à ce double problème, les deux critères Ji et J2 permettent d'une part de faciliter le calcul d'un modèle réduit le plus précis possible et d'autre part de faciliter la commande du comportement vibratoire de ces structures. Avant de formuler ces critères Ji et J2, on rappelle des équations modales du mouvement des structures flexibles.A second difficulty lies in the choice to be adopted on the strategy and the actual synthesis of the control law against such systems with very oscillating behavior. Faced with this double problem, the two criteria Ji and J 2 allow on the one hand to facilitate the calculation of a reduced model as accurate as possible and on the other hand to facilitate the control of the vibratory behavior of these structures. Before formulating these criteria Ji and J 2 , we recall modal equations of the movement of flexible structures.
Conformément au document de K.B.Lim et al « Actuators and sensor placement for control of flexible structure », in Control and Dynamics Systems : Advances in Theory and Applications, éd. London, Académie Press, 1993, chaque structure flexible synthétisée est définie comme un système linéaire de dimension finie, contrôlable et observable, possédant des pôles complexes conjugués faiblement amortis. Son comportement dynamique conservatif est régi par les équations matricielles différentielles du 2nd ordre suivantes :In accordance with the document KBLim et al, "Actuators and sensor placement for control of flexible structure," in Control and Dynamics Systems: Advances in Theory and Applications, ed. London, Academy Press, 1993, each synthesized flexible structure is defined as a linear system of finite dimension, controllable and observable, with weak conjugated complex conjugate poles. His conservative dynamic behavior is governed by the differential matrix equations of the 2nd following order:
MΛ +KΛ = E,U (4) M Λ + K Λ = E , U (4)
Chaque élément de u (respectivement y), dénote un actionneur (respectivement capteur) dont le degré de liberté est défini par une valeur non-nulle dans la colonne correspondante de E9 (respectivement ligne deEach element of u (respectively y), denotes an actuator (respectively sensor) whose degree of freedom is defined by a non-zero value in the corresponding column of E 9 (respectively line of
Fg).Fg).
La décomposition modale du système permet de rechercher une solution sous la forme : The modal decomposition of the system makes it possible to look for a solution in the form:
Elle consiste en une combinaison linéaire des déformées modales Ψ; . q est le vecteur des déplacements modaux de dimension pχ1. La matrice des vecteurs propres Ψ = [ΨX ... Ψp] , et les pulsations propres associées sont obtenues comme solutions du problème conservatif suivant : It consists of a linear combination of modal deformations Ψ ; . q is the vector of modal displacements of dimension pχ1. The matrix of eigenvectors Ψ = [Ψ X ... Ψ p ], and the associated eigenvalues are obtained as solutions of the following conservative problem:
On suppose ici que l'amortissement n'a que peu d'influence sur le positionnement fréquentiel des résonances des structures flexibles. Les pulsations propres sont rangées par ordre croissant &f ≤... ≤ ωp 2 , et Ψ est choisie normalisée par rapport à la matrice masse M.It is assumed here that the damping has little influence on the frequency positioning of the resonances of the flexible structures. The eigenvalues are ranked in increasing order & f ≤ ... ≤ ω p 2 , and Ψ is chosen normalized with respect to the mass matrix M.
En remplaçant ηg par Ψq dans la relation (4) et multipliant à gauche par Ψf , les relations d'orthogonalité induites par la forme modale donnent : q + diag(^2)q = ΨfE^uBy replacing η g by Ψq in relation (4) and multiplying on the left by Ψ f , the orthogonality relations induced by the modal form give: q + diag (^ 2 ) q = Ψ f E ^ u
(5) y = F^Fq(5) y = F ^ Fq
Pour obtenir un modèle d'état des structures, on choisit par exemple le vecteur d'état x de dimension 2p x 1 défini par : x = ( qγ ύ\ ... qp ωpqp )To obtain a state model of the structures, one chooses, for example, the state vector x of dimension 2p x 1 defined by: x = (q γ ύ \ ... q p ω p q p )
Le triplet (A, B, C) de la représentation d'état dans l'espace modal x = Ax + Bu y = Cχ prend la forme particulièreThe triplet (A, B, C) of the state representation in modal space x = Ax + Bu y = Cχ takes the particular form
A = , B1 = . C1 = 0 — F^ (6) ω 0 o OJ, 8 A =, B 1 =. C 1 = 0 - F ^ (6) ω 0 o OJ, 8
La matrice d'évolution A dépend de la structure (fréquences propres et amortissements modaux), la matrice de commande B (respectivement C) dépend de l'emplacement et de la nature des actionneurs (respectivement des capteurs). Dans la suite, on notera Ψ[Eg (de dimension Us) : bi , et F^ Ψ, (de dimension rχ1) : Cj. Dans le domaine fréquentiel, la matrice de transfert entre les entrées u et les sorties y est vue comme la somme de toutes les contributions modales : y(jω) = G{jω)u{jω) où la rxs matrice de transfert vaut : c,b,The evolution matrix A depends on the structure (natural frequencies and modal damping), the control matrix B (respectively C) depends on the location and nature of the actuators (respectively sensors). In the following, we note Ψ [E g (of dimension Us): bi, and F ^ Ψ, (of dimension rχ1): Cj. In the frequency domain, the transfer matrix between the inputs u and the outputs y is seen as the sum of all the modal contributions: y (jω) = G {jω) u {jω) where the rxs transfer matrix is: c , b
G(jω) = ∑ (jω) = ∑ tι o^ - ω2 + 2jξιωιω ' La figure 4 présente une forme souhaitée pour la réponse fréquentielle en boucle ouverte d'un système flexible, par exemple d'une structure constituée d'un ensemble de poutres piézoélectriques. Cette forme est représentée par une courbe représentative de l'amplitude, exprimée en dB, par rapport à la pulsation, exprimée en radians/secondes. Pour augmenter l'autorité de contrôle sur les différents modes, les amplitudes des résonnances doivent être maximisées dans la bande fréquentielle [ 0, ωc ], ou bande passante 42, telles qu'illustrées par les pics importants 43 de la courbe 41 à l'intérieur de cette bande de fréquences 42. Au contraire, les amplitudes des pics de résonnance 44 après la pulsation de coupure ωc doivent être minimisées pour limiter la marge de gain et limiter les phénomènes dits de « spillover ». Le critère Ji défini par la suite permet notamment d'évaluer si la réponse d'un modèle de système s'approche du cas idéal de la figure 4. En d'autres termes, le critère Ji permet d'évaluer la capacité de réduction du modèle et sa précision. L'interprétation qu'il est possible de faire de la norme HL de la matrice de transfert, rend possible l'écriture d'un tel critère pour l'obtention de cette forme de réponse fréquentielle. Cette norme caractérise les amplifications maximales que le système peut produire sur les signaux d'entrée. En particulier dans le cas d'une fonction SISO (une seule entrée, une seule sortie), la valeur de l'amplitude maximale Gi du i-ème mode de la réponse fréquentielle peut être approximée, sous l'hypothèse de faibles amortissements, par :G (jω) = Σ (jω) = Σ t ι o ^ - ω 2 + 2jξ ι ω ι ω ' FIG. 4 shows a desired shape for the open-loop frequency response of a flexible system, for example a structure consisting of a set of piezoelectric beams. This form is represented by a curve representative of the amplitude, expressed in dB, with respect to the pulsation, expressed in radians / seconds. To increase the control authority over the different modes, the amplitudes of the resonances must be maximized in the frequency band [0, ω c ], or bandwidth 42, as illustrated by the major peaks 43 of the curve 41 to FIG. In contrast, the amplitudes of the resonance peaks 44 after the cutoff pulse ω c must be minimized in order to limit the gain margin and to limit the so-called "spillover" phenomena. The criterion Ji defined subsequently makes it possible, in particular, to evaluate whether the response of a system model approaches the ideal case of FIG. 4. In other words, the criterion Ji makes it possible to evaluate the reduction capacity of the system. model and its precision. The interpretation that can be made of the HL standard of the transfer matrix makes it possible to write such a criterion for obtaining this form of frequency response. This standard characterizes the maximum amplifications that the system can produce on the input signals. Especially in the case of a SISO function (only one input, one output), the value of the maximum amplitude Gi of the i-th mode of the frequency response can be approximated, under the assumption of small depreciation, by :
Par ailleurs, les valeurs singulières de Hankel (HSV) associées à la représentation d'état de la relation (6) sont les valeurs du grammien équilibré. Ce grammien est une matrice diagonale positive définie par r = diag(σ! ) , qui caractérise le degré de contrôlabilité et d'observabilité jointes, de chaque composante du vecteur d'état. Dans le présent cas de représentation nodale, chaque HSV caractérise donc ici le degré de contrôlabilité et d'observabilité du mode vibratoire du système en question. Dans le cas de faibles amortissements, les HSV sont définies par : c,b. In addition, Hankel singular values (HSV) associated with the state representation of the relation (6) are the values of the balanced grammar. This grammar is a positive diagonal matrix defined by r = diag (σ ! ), Which characterizes the degree of controllability and observability joined, of each component of the state vector. In the present case of nodal representation, each HSV thus characterizes here the degree of controllability and observability of the vibratory mode of the system in question. In the case of low depreciation, HSVs are defined by: c, b.
O, =O, =
II s'ensuite donc que IGJ00 = I^ .It follows then that IGJ 00 = I ^.
Pour que les k premiers modes résonants, où k < p, soient dominants, ils doivent garantir d'importantes HSV, pour une bonne contrôlabilité/observabilité. Le modèle réduit aux k premiers modes, G1-, est défini selon la relation suivante :For the first k resonant modes, where k <p, to be dominant, they must guarantee important HSVs, for good controllability / observability. The model reduced to the first k modes, G 1 -, is defined according to the following relation:
GΓ (J«) = ∑G, (J«) ι=lG Γ (J ") = ΣG, (J") ι = l
Ce modèle Gr reflète le comportement du système complet G avec un écart, relatif aux HSV omises, défini par la relation suivante :This model G r reflects the behavior of the complete system G with a difference, relative to HSV omitted, defined by the following relation:
ι=k+lι = k +
Pour rendre les k premiers modes dominants et améliorer simultanément la précision du modèle tronqué à ces k premiers modes, le critère d'optimisation J1, fonction d'évaluation, s'écrit donc :To make the first k dominant modes and simultaneously improve the precision of the truncated model to these first k modes, the optimization criterion J 1 , evaluation function, is written thus:
G1 représentant les valeurs singulières de Hankel (HSV) associées à la représentation d'état de la relation (6) pour le mode propre particulier n°i. Ce critère a une fonction d'indicateur, de note, de telle sorte que plus J1 κ est grand plus le système présente de bonnes contrôlabilité et observabilité simultanément pour les k premiers modes et de mauvaises contrôlabilité et observabilité simultanément pour les autres modes. En pratique, ce critère favorisera les systèmes pour lesquels seuls les k premiers modes sont dominants.G 1 representing the Hankel singular values (HSV) associated with the state representation of the relation (6) for the particular eigenmode No. i. This criterion has an indicator function, rating, so that more than 1 J κ is the big plus has good controllability and observability system simultaneously for the first k modes and bad controllability and observability simultaneously for other modes. In practice, this criterion will favor systems for which only the first k modes are dominant.
Les figures 5a et 5b illustrent les lieux des pôles, représentés par des x, et ceux des zéros, représentés par des o, de la réponse fréquentielle d'un système colocalisé respectivement non amorti et légèrement amorti, dans le plan complexe où les abscisses représentent la réponse réelle Re(s) et les ordonnées représentent la réponse imaginaire lm(s). Un second critère utilisé par le procédé selon l'invention, J2, caractérise le comportement de colocalisation des systèmes flexibles. Une propriété de ces systèmes, avantageusement exploitée par l'invention, est l'alternance des pôles et des zéros dans le demi-plan complexe. De tels systèmes sont à minimum de phase et la réponse en phase oscille continûment entre 0° et 180° correspondant respectivement aux zéros et aux pôles de la réponse. Les systèmes colocalisés sont connus pour ces propriétés intéressantes, qui permettent d'assurer une stabilité de leur commande en boucle fermée. Selon l'invention, une fonction d'évaluation peut être utilisée pour estimer si le comportement d'une structure donnée peut être considéré comme étant proche d'un système colocalisé, donc à critères de stabilité simple. Cette fonction d'évaluation est le critère J2, défini pour les k premiers modes par la relation suivante :Figures 5a and 5b illustrate the places of the poles, represented by x, and those of zeros, represented by o, of the frequency response of a colocalised respectively undamped and slightly damped system, in the complex plane where the abscissa represent the real response Re (s) and the ordinates represent the imaginary response lm (s). A second criterion used by the method according to the invention, J 2 , characterizes the co-location behavior of flexible systems. One property of these systems, advantageously exploited by the invention, is the alternation of the poles and zeros in the complex half-plane. Such systems are at a minimum of phase and the phase response oscillates continuously between 0 ° and 180 ° respectively corresponding to the zeros and the poles of the response. Collocated systems are known for these interesting properties, which make it possible to ensure a stability of their closed-loop control. According to the invention, an evaluation function can be used to estimate whether the behavior of a given structure can be considered as being close to a collocated system, thus with simple stability criteria. This evaluation function is the criterion J 2 , defined for the first k modes by the following relation:
Jk - ∑signicfr) où SIgH(C^1) = +1 ou -1 selon que le signe de l'argument de la réponse complexe est respectivement positif ou négatif, signicfa ) étant égal 0 si l'argument est nul. La somme sur l'indice i concerne tous les modes contenus dans le spectre fréquentiel des k premiers modes.J k - Σsignicfr) where SIgH (C ^ 1 ) = +1 or -1 according to whether the sign of the argument of the complex response is respectively positive or negative, signicfa) being equal to 0 if the argument is null. The sum on the index i concerns all the modes contained in the frequency spectrum of the first k modes.
C1 et bx représentent respectivement l'influence des capteurs et actionneurs sur la réponse fréquentielle entrée/sortie du système. Dans le cas SISO notamment, la maximisation du critère J2 permet de favoriser les structures qui montrent une alternance des pôles et des zéros. Ce critère favorise donc les structures dont les k premiers gains statiques de Gj sont de même signe. En pratique, cela revient à favoriser les systèmes présentant une alternance de pôles et de zéros pour les k premiers modes.C 1 and b x respectively represent the influence of the sensors and actuators on the frequency response input / output of the system. In the SISO case in particular, the maximization of the criterion J 2 makes it possible to favor the structures which show an alternation of poles and zeros. This criterion therefore favors the structures whose first k static gains of Gj are of the same sign. In practice, this amounts to favoring systems with alternating poles and zeros for the first k modes.
La figure 6 illustre le maillage de la partie symétrique d'un micro-actionneur avec les conditions aux limites, avec quatre blocs 61 , 62, 63, 64 à déterminer et des nœuds 65, 66, 67 admissibles pour le blocage, ces nœuds étant les trois nœuds du bas. Un nœud de sortie 68 représentant le nœud dit effecteur, formant l'organe terminal de l'actionneur. A titre d'exemple, l'optimisation globale réalisée par le procédé selon l'invention est appliquée pour concevoir ce micro-actionneur, plus particulièrement pour concevoir une structure monolithique piézoélectrique, à actionneur intégré, pour des tâches de micromanipulation. La spécification du problème prend ici en compte quatre critères d'optimisation simultanément :FIG. 6 illustrates the mesh of the symmetrical part of a micro-actuator with the boundary conditions, with four blocks 61, 62, 63, 64 to be determined and nodes 65, 66, 67 admissible for blocking, these nodes being the three nodes at the bottom. An output node 68 representing the so-called node effector, forming the terminal member of the actuator. By way of example, the global optimization carried out by the method according to the invention is applied to design this micro-actuator, more particularly to design a piezoelectric monolithic structure, with integrated actuator, for micromanipulation tasks. The specification of the problem here takes into account four optimization criteria simultaneously:
- deux critères mécaniques statiques, les maximisations du déplacement δx et de la force Fx du nœud effecteur 68 de la structure ;two static mechanical criteria, the maximizations of the displacement δ x and the force F x of the effector node 68 of the structure;
- les deux critères Ji et J2 caractérisant le transfert entre l'actionnement intégré et le nœud effecteur 68.the two criteria Ji and J 2 characterizing the transfer between the integrated actuation and the effector node 68.
Dans cet exemple, on choisit de prendre k = 2, c'est-à-dire de ne considérer que les deux premiers modes de résonnance, pour la détermination des critères Ji et J2. Dans ce cas précis, le critère J2 ne peut prendre que deux valeurs discrètes. La valeur maximale est 2, cas de colocalisation, ou 0, cas de non localisation.In this example, we choose to take k = 2, that is to say to consider only the first two modes of resonance, for the determination of criteria Ji and J 2 . In this case, the criterion J 2 can take only two discrete values. The maximum value is 2, case of collocation, or 0, case of non-localization.
Enfin, la synthèse optimale est réalisée dans cet exemple pour un mécanisme symétrique réalisé dans un matériau piézoélectrique. La figure 6 illustre la spécification du problème. Les données fixes sont les dimensions de la partie symétrique, l'amortissement modal et la différence de potentiel électrique V fixée pour les blocs actifs. L'amortissement modal est par exemple pris constant et égal à 1 % pour tous les modes de résonance. Le maillage de la figure 6 est réalisé dans un plan O, x, y. La partie symétrique a pour dimensions L1 x L2, L1 étant par exemple égale à 15mm et L2 à 9mm, pour une épaisseur suivant z de 200μm. Cette partie est formée de quatre blocs 61 , 62, 63, 64 à optimiser, les blocs ayant chacun une dimension a qui lui est propre selon la dimension L1 et une dimension b qui lui est propre selon la dimension L2. Les blocs actifs sont ceux possédant des électrodes alimentées, par la tension V égale par exemple à 200 volts, pour exploiter l'effet piézoélectrique. Les blocs passifs sont faits du même matériau mais sans électrodes. La taille des blocs peut varier pour a entre une valeur maximum amax et une valeur minimum amin de telle façon que le rapport amax/amin puisse varier entre 1 et 2. De même, la dimension b peut varier entre une valeur maximum bmax et une valeur minimum bmin de telle façon que le rapport bmax/bmin puisse varier entre 1 et 2. Dans l'exemple de la figure 6, les paramètres mécaniques à optimiser sont par exemple le déplacement selon l'axe x et la force de serrage selon l'axe x du nœud de sortie 68. En d'autres termes, lorsque la structure est commandée en tension, le nœud de sortie 68 doit produire : - un déplacement δx selon l'axe x le plus grand possible ;Finally, the optimal synthesis is carried out in this example for a symmetrical mechanism made of a piezoelectric material. Figure 6 illustrates the problem specification. The fixed data are the dimensions of the symmetrical part, the modal damping and the electric potential difference V fixed for the active blocks. The modal damping is for example taken constant and equal to 1% for all resonance modes. The mesh of Figure 6 is made in a plane O, x, y. The symmetrical part has for dimensions L1 x L2, L1 being for example equal to 15mm and L2 to 9mm, for a thickness following z of 200μm. This part is formed of four blocks 61, 62, 63, 64 to be optimized, the blocks each having a dimension a which is specific to it according to the dimension L1 and a dimension b which is specific to it according to the dimension L2. The active blocks are those having electrodes powered by the voltage V equal for example to 200 volts, to exploit the piezoelectric effect. Passive blocks are made of the same material but without electrodes. The size of the blocks may vary for a between a maximum value a max and a minimum value a min such that the ratio a max / a m i n may vary between 1 and 2. Similarly, the dimension b may vary between maximum value b max and a minimum value b min so that the ratio b max / b m i n can vary between 1 and 2. In the example of FIG. 6, the mechanical parameters to be optimized are, for example, the displacement along the x-axis and the clamping force along the x-axis of the output node 68. In other words, when the structure is controlled voltage, the output node 68 should occur: - a displacement δ x along the x axis the largest possible;
- une force de serrage Fx selon l'axe x la plus grande possible. La commande peut être une tension électrique exerçant une déformation des poutres piézoélectriques.a clamping force F x along the largest possible x-axis. The control may be an electrical voltage exerting a deformation of the piezoelectric beams.
Les figures 7a, 7b, 7c et 7d illustrent quatre exemples de solutions appelées respectivement A, B, C et D, issues du front de Pareto de dimension quatre (car ici quatre critères d'optimisation sont considérés) obtenu à la convergence de la procédure d'optimisation, pour analyser l'apport de l'utilisation des critères Ji et J2 selon l'invention au cours de l'optimisation. Les performances des quatre structures sont reportées dans le tableau ci- dessous où δx représente le déplacement de l'effecteur 68 le long de l'axe x et Fx sa force de serrage le long de ce même axe.FIGS. 7a, 7b, 7c and 7d illustrate four examples of solutions respectively called A, B, C and D, from the four-dimensional Pareto front (because here four optimization criteria are considered) obtained at the convergence of the procedure. optimization, to analyze the contribution of the use of the criteria Ji and J 2 according to the invention during the optimization. The performances of the four structures are reported in the table below where δ x represents the displacement of the effector 68 along the x axis and F x its clamping force along the same axis.
Solutions Résultats des critères sélectionnées δx Fx Ji J2 Solutions Results of selected criteria δ x F x Ji J 2
A 15,55 μm 1 ,26 N 2,24 0At 15.55 μm 1, 26 N 2.24 0
B 11 ,74 μm 1 ,26 N 21 ,00 0B 11, 74 μm 1, 26 N 21, 00 0
C 12,34 μm 0,63 N 0,28 2C 12.34 μm 0.63 N 0.28 2
D 10,69 μm 0,84 N 5842,35 2D 10.69 μm 0.84 N 5842.35 2
Les figures 7a, 7b, 7c et 7d sont les représentations géométriques des quatre actionneurs piézoélectriques. Les structures de ces actionneurs sont composées d'un assemblage de blocs, issus par exemple de la bibliothèque de la figure 1 et formés chacun d'un ou plusieurs segments 3 dont les extrémités forment des nœuds 70 en lesquels les segments peuvent se fixer les uns aux autres.Figures 7a, 7b, 7c and 7d are the geometric representations of the four piezoelectric actuators. The structures of these actuators are composed of an assembly of blocks, for example from the library of FIG. 1 and each formed of one or more segments 3 whose ends form nodes 70 in which the segments can be fixed to each other. to others.
Les lignes en trait plein 71 représentent les blocs actifs et les lignes en pointillés 72 représentent les blocs passifs. Dans l'exemple de la figure 7a, les deux blocs de gauche 61 , 63 sont passifs, les blocs de droites 62, 64 sont actifs, le nœud du milieu 66 étant bloqué. Dans l'exemple de la figure 7b, les blocs en haut à gauche 61 et en bas à droite 64 sont passifs, les blocs en haut à droite 62 et en bas à gauche sont actifs, les nœuds de gauche 65, 66 étant bloqués. Dans l'exemple de la figure 7c, le bloc de gauche en bas 63 est passif, les blocs de droites 62, 64 sont actifs, les nœuds de droite 66, 67 étant bloqués. Dans l'exemple de la figure 7d, le bloc de gauche en bas 63 est passif, tous les autres blocs 61 , 62, 64 sont actifs, les nœuds de gauche 65, 66 étant bloqués.The solid lines 71 represent the active blocks and the dashed lines 72 represent the passive blocks. In the example of FIG. 7a, the two left blocks 61, 63 are passive, the right blocks 62, 64 are active, the middle node 66 being blocked. In the example of FIG. 7b, the blocks at the top left 61 and at the bottom right 64 are passive, the blocks at the top right 62 and at the bottom left are active, the left nodes 65, 66 being blocked. In the example of FIG. 7c, the left block at the bottom 63 is passive, the right blocks 62, 64 are active, the right nodes 66, 67 being blocked. In the example of FIG. 7d, the left block at the bottom 63 is passive, all the other blocks 61, 62, 64 are active, the left nodes 65, 66 being blocked.
Dans le cadre d'une optimisation classique, c'est-à-dire uniquement avec les deux critère mécaniques statiques δx, Fx, seules les solutions A et B auraient été retenues dans une première étape car répondant à l'optimisation ci- dessus, à savoir un déplacement δx selon l'axe x le plus grand possible et une force de serrage Fx la plus grande possible. Les solutions A et B maximisent en effet ces deux critères mécaniques. Les solutions C et D auraient été écartées et supprimées du front de Pareto du fait de leurs performances mécaniques statiques moins bonnes. Mais il s'avère que la structure A possède de mauvaises performances dynamiques en vue de sa commande ultérieure comme l'illustre la figure 8 et que confirment les critères Ji et J2.In the context of a conventional optimization, that is to say only with the two static mechanical criteria δ x , F x , only the solutions A and B would have been retained in a first step because responding to the optimization below. above, namely a displacement δ x along the largest possible x axis and a maximum clamping force F x possible. Solutions A and B maximize these two mechanical criteria. Solutions C and D would have been discarded and removed from the Pareto front due to their poorer static mechanical performance. But it turns out that the structure A has poor dynamic performance for subsequent control as shown in Figure 8 and that confirm the criteria Ji and J 2 .
La figure 8 présente par un diagramme de Bode la réponse du déplacement δx de l'effecteur 68 suite à une excitation harmonique en tension pour la structure A de la figure 7a. L'amplitude de la réponse est représentée par une première courbe 81 en fonction de la fréquence et la phase est représentée par une deuxième courbe 82 en fonction de la fréquence. La première courbe s'éloignede celle du cas idéal exprimé à la figure 4 pour l'amplitude 81. La second courbe illustre le caractère fortement non à minimum de phase. La courbe en phase 82 montre que le transfert entrée- sortie n'a pas la propriété intéressante d'alternance de pôles et de zéros, qui était illustrée aux figures 5a et 5b, exprimée par oscillations continues de la phase entre O° et -180°, dans le spectre choisi. En effet une discontinuité 83 apparaît rompant la succession continue des pôles et des zéro, correspondant à la succession de deux antirésonances entre les deux premières résonances 84, 85 et effectivement J2 est égal à 0 dans le tableau précédent. Par ailleurs, l'autorité de contrôle sur ces deux premières résonances est faible en comparaison des autres modes. En effet les pics 84, 85 qui les représentent ne sont pas maximisés par rapport aux autres pics 86 placé en dehors de la bande de fréquence d'intérêt, et dont la valeur de l'amplitude n'est pas réduite, correspondant à une absence de chute du gain, ce qui est confirmé par la faible valeur de J-i.FIG. 8 presents, by a Bode diagram, the response of the displacement δ x of the effector 68 following a voltage harmonic excitation for the structure A of FIG. 7a. The amplitude of the response is represented by a first curve 81 as a function of the frequency and the phase is represented by a second curve 82 as a function of frequency. The first curve departs from that of the ideal case expressed in Figure 4 for amplitude 81. The second curve illustrates the strongly non-minimum phase character. The phase curve 82 shows that the input-output transfer does not have the interesting property of alternating poles and zeros, which was illustrated in FIGS. 5a and 5b, expressed by continuous oscillations of the phase between 0 ° and -180. °, in the chosen spectrum. Indeed a discontinuity 83 appears to break the continuous succession of poles and zero, corresponding to the succession of two antiresonances between the first two resonances 84, 85 and effectively J 2 is equal to 0 in the previous table. Moreover, the control authority over these first two resonances is weak compared to the other modes. Indeed the peaks 84, 85 which represent them are not maximized with respect to the other peaks 86 placed outside the frequency band of interest, and whose value amplitude is not reduced, corresponding to a lack of gain drop, which is confirmed by the low value of Ji.
La figure 9 présente toujours par un diagramme de Bode la réponse fréquentielle du déplacement δx de l'effecteur 68 dans les mêmes conditions mais pour la structure B de la figure 7b, par une courbe en amplitude 91 et une courbe en phase 92. Des remarques du même ordre que celles sur la structure A peuvent être faites. L'autorité de contrôle sur les deux premiers modes de résonance est correcte comme le montre la chute importante du gain après la deuxième résonnance 93 sur la courbe d'amplitude 91 , ce qui est confirmé par une assez bonne valeur du critère Ji dans le tableau précédent. Cependant, on n'observe pas le caractère d'alternance continue entre les pôles et les zéros au vu de la courbe de phase 92 en dans le domaine fréquentiel d'intérêt et J2 vaut effectivement 0.FIG. 9 always shows, by a Bode diagram, the frequency response of the displacement δ x of the effector 68 under the same conditions but for the structure B of FIG. 7b, by an amplitude curve 91 and a phase curve 92. remarks of the same order as those on structure A can be made. The control authority on the first two resonance modes is correct as shown by the significant drop in gain after the second resonance 93 on the amplitude curve 91, which is confirmed by a fairly good value of the criterion Ji in the table. previous. However, the character of continuous alternation between the poles and zeros is not observed in view of the phase curve 92 in the frequency domain of interest and J 2 is effectively 0.
La figure 10 illustre le cas de la structure C de la figure 7c. Dans ce cas où le critère J2 est égal à 2, la réponse fréquentielle présente une alternance résonance / antirésonance qui varie bien continûment jusqu'au second mode de résonance comme le montre la courbe d'amplitude 101 du diagramme de Bode. En revanche, il existe des modes de résonance de plus haute fréquence qui sont aussi dominants que certains modes du domaine fréquentiel d'intérêt. Par exemple, l'amplitude de la quatrième résonance 103 est presque aussi importante que l'amplitude de la première 104, ce que confirme la très faible valeur du critère J-i, si bien que ces modes résonants à haute dynamique ne peuvent être raisonnablement négligés dans la synthèse du modèle réduit, ce qui engendrerait une phase d'identification et de synthèse de régulateur infaisables vu le nombre très important de dynamiques qu'il faudrait considérer pour aboutir à un modèle précis.Figure 10 illustrates the case of structure C of Figure 7c. In this case where the criterion J 2 is equal to 2, the frequency response has a resonance / antiresonance alternation that varies continuously up to the second resonance mode as shown by the amplitude curve 101 of the Bode diagram. On the other hand, there are higher frequency resonance modes that are as dominant as some modes of the frequency domain of interest. For example, the amplitude of the fourth resonance 103 is almost as large as the amplitude of the first 104, which is confirmed by the very low value of criterion Ji, so that these high dynamic resonance modes can not be reasonably neglected in the synthesis of the reduced model, which would generate a phase of identification and controller synthesis infeasible given the very large number of dynamics that should be considered to achieve a specific model.
Enfin, la figure 1 1 illustre le cas de la structure D de la figure 7d. Il s'avère finalement que cette structure peut présenter un compromis intéressant. La forme de sa réponse fréquentielle est bien celle attendue, aussi bien en amplitude comme l'illustre la courbe 1 1 1 du diagramme de Bode, où il y a une nette décroissance après la deuxième résonance 113, qu'en ce qui concerne l'alternance continue des résonances et des antirésonances dans le domaine fréquentiel d'intérêt. Cela fait de cette structure un système mécatronique dont le modèle tronqué (limité aux deux premières résonances) sera précis, facile à identifier et apte à une synthèse aisée de son régulateur au vu du critère J1 , et dont la stabilité de sa commande ultérieure en boucle fermée sera garantie au vu du critère J2. La structure D apparaît comme celle qui présente le meilleurs compromis entre les performances mécaniques, liées aux critères δx et Fx et les performances dynamiques, en vue de la commande, liées aux critères Ji et J2. Les exemples précédents montrent que les critères Ji et J2 permettent de prendre en compte dès l'étape de conception certaines caractéristiques de la réponse dynamique d'un système, influant notamment sur sa commande ultérieure. Plus précisément, ils permettent de concevoir des systèmes flexibles qui présentent des caractéristiques fréquentielles propices à lïmplémentation de lois de commande classiques, simples et/ou dédiées aux systèmes flexibles. Finally, FIG. 11 illustrates the case of the structure D of FIG. 7d. It turns out that this structure can present an interesting compromise. The form of its frequency response is the expected one, both in amplitude as illustrated by the curve 1 1 1 of the Bode diagram, where there is a sharp decrease after the second resonance 113, as compared with the continuous alternation of resonances and antiresonances in the frequency domain of interest. This makes this structure a mechatronic system whose truncated model (limited to the first two resonances) will be precise, easy to identify and adapted to an easy synthesis of its regulator in view of the criterion J1, and whose stability of its subsequent loop control closed will be guaranteed in view of criterion J2. The structure D appears as the one which presents the best compromise between the mechanical performances, related to the criteria δ x and F x and the dynamic performances, with a view to the control, related to the criteria Ji and J 2 . The preceding examples show that the criteria Ji and J 2 make it possible to take into account at the design stage certain characteristics of the dynamic response of a system, notably affecting its subsequent control. More specifically, they make it possible to design flexible systems that have frequency characteristics that are conducive to the implementation of simple, simple control laws and / or dedicated to flexible systems.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'un système mécatronique flexible, caractérisé en ce qu'il comporte au moins :1. A method of producing a flexible mechatronic system, characterized in that it comprises at least:
- une étape de modélisation du système par un maillage aux éléments finis; - une étape de simulation du comportement d'un nœud terminal (68) du modèle en réponse en boucle ouverte à un signal de commande ;a step of modeling the system by a finite element mesh; a step of simulating the behavior of a terminal node (68) of the model in open-loop response to a control signal;
- une étape de caractérisation de ladite réponse par au moins un critère mécanique (δx, Fx) et au moins un critère numérique J/ représentatif de l'amplitude relative des pics de résonance (43, 44) de ladite réponse en fonction de la fréquence, ces pics de résonance étant respectivement choisis en amont et en aval d'un numéro de mode prédéterminé ; les étapes précédentes étant susceptibles d'être réitérées, ces étapes étant suivies d'une étape de sélection d'une conception obtenue en fonction des critères définis dans l'étape de caractérisation, le système étant réalisé à partir de la conception sélectionnée.a step of characterizing said response by at least one mechanical criterion (δ x , F x ) and at least one numerical criterion J / representative of the relative amplitude of the resonance peaks (43, 44) of said response as a function of the frequency, these resonance peaks being respectively selected upstream and downstream of a predetermined mode number; the preceding steps being capable of being repeated, these steps being followed by a step of selecting a design obtained according to the criteria defined in the characterization step, the system being made from the selected design.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le critère J/ est défini par la relation suivante :2. Method according to claim 1, characterized in that the criterion J / is defined by the following relation:
k _ ι=lk _ ι = l
J l ~ , i= Σ σ k+l J l ~ , i = Σ σ k + l
où k est le nombre des premiers modes devant être dominants (1 13) par rapport à tous les autres modes de ladite réponse en fréquence et σ, , défini à partir de la représentation d'état qui caractérise complètement la relation entrée/sortie du mécanisme, est la i-ème Valeur Singulière de Hankel du système flexible.where k is the number of the first modes to be dominant (1 13) with respect to all other modes of said frequency response and σ, defined from the state representation which completely characterizes the input / output relation of the mechanism , is Hankel's i-th Singular Value of the flexible system.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de caractérisation comporte un autre critère numérique J2 k représentatif de l'alternance des résonances et antirésonances de la réponse dans le domaine fréquentiel, dans une bande de fréquences choisie.3. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the characterization step comprises another numerical criterion J 2 k representative of the alternation of the resonances and antiresonances of the frequency domain response in a selected frequency band.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le critère J2 k est défini par la relation suivante :4. Method according to claim 3, characterized in that the criterion J 2 k is defined by the following relation:
où k est le nombre de premiers modes de résonance (93) de ladite réponse en fréquence et C1 et bx représentent respectivement l'influence des capteurs et actionneurs sur la réponse fréquentielle entrée/sortie du système. where k is the number of first resonance modes (93) of said frequency response and C 1 and b x respectively represent the influence of the sensors and actuators on the input / output frequency response of the system.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un mode de réalisation est sélectionné lorsque le critère Jik est supérieur à une valeur choisie par l'utilisateur/le concepteur.5. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that an embodiment is selected when the criterion Ji k is greater than a value chosen by the user / designer.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un mode de réalisation est sélectionné lorsque le critère J2 k est supérieur à une valeur donnée.6. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that an embodiment is selected when the criterion J 2 k is greater than a given value.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le maillage est composé d'une combinaison de blocs élémentaires (61 , 62, 63, 64) à déterminer, chaque bloc autorisé étant formé d'un assemblage prédéfini de segments représentant des poutres élémentaires (3), ledit maillage comportant au moins un bloc actif (71 ) commandable au moyen d'un signal de commande.7. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the mesh is composed of a combination of elementary blocks (61, 62, 63, 64) to be determined, each authorized block being formed of a predefined assembly of segments representing elementary beams (3), said mesh comprising at least one active block (71) controllable by means of a control signal.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le maillage étant composé d'une combinaison de blocs élémentaires (61 , 62, 63, 64) à déterminer, chaque bloc autorisé étant formé d'un assemblage prédéfini de segments représentant des poutres élémentaires (3), ledit maillage comporte au moins un nœud commandable au moyen d'un signal de commande. 8. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the mesh being composed of a combination of elementary blocks (61, 62, 63, 64) to be determined, each authorized block being formed of an assembly predefined segments representing elementary beams (3), said mesh comprises at least one node controllable by means of a control signal.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les blocs sont issus d'une bibliothèque de blocs prédéfinis.9. Method according to any one of claims 7 or 8, characterized in that the blocks are from a library of predefined blocks.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'une commande d'un bloc actif s'exerce par un signal de déformation d'une au moins de ses poutres.10. Method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that a control of an active block is exerted by a deformation signal of at least one of its beams.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un critère mécanique statique est le déplacement δx du nœud terminal (68).11. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that a static mechanical criterion is the displacement δ x of the terminal node (68).
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nœud terminal (68) étant un effecteur, un critère mécanique est la valeur de la force qu'il applique au milieu extérieur Fx.12. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the terminal node (68) being an effector, a mechanical criterion is the value of the force it applies to the external environment F x .
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal de commande est un signal de tension ou de courant électrique.13. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the control signal is a voltage or electrical current signal.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système est un actionneur piézoélectrique, toutes les poutres constituant un bloc actif étant commandées par un signal de tension électrique. 14. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the system is a piezoelectric actuator, all the beams constituting an active block being controlled by a voltage signal.
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