EP4062651A1 - Dispositif de génération d'un signal de commande d'un système électrique - Google Patents

Dispositif de génération d'un signal de commande d'un système électrique

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EP4062651A1
EP4062651A1 EP20807422.9A EP20807422A EP4062651A1 EP 4062651 A1 EP4062651 A1 EP 4062651A1 EP 20807422 A EP20807422 A EP 20807422A EP 4062651 A1 EP4062651 A1 EP 4062651A1
Authority
EP
European Patent Office
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component
digital
signal
analog
representative
Prior art date
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EP20807422.9A
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German (de)
English (en)
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EP4062651B1 (fr
EP4062651C0 (fr
Inventor
Thomas HELIE
Tristan LEBRUN
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.)
Institut De Recherche Et De Coordination Acoustique / Musique
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Sorbonne Universite
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut de Recherche et de Coordination Acoustique Musique IRCA
Sorbonne Universite
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4062651A1 publication Critical patent/EP4062651A1/fr
Application granted granted Critical
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Publication of EP4062651C0 publication Critical patent/EP4062651C0/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers
    • H04R3/02—Circuits for transducers for preventing acoustic reaction, i.e. acoustic oscillatory feedback
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers
    • H04R3/002—Damping circuit arrangements for transducers, e.g. motional feedback circuits

Definitions

  • TITLE Device for generating a control signal for an electrical system
  • the present invention relates to a device for generating a control signal of an electrical system.
  • the present invention also relates to an audio system comprising such a device.
  • the present invention also relates to an associated method.
  • Passivity describes the fact that a system cannot spontaneously create energy but only store and / or dissipate it.
  • a network of resistors, diodes, coils or capacitors (linear or not) connected to a loudspeaker will modify the mechanical and acoustic behavior of the loudspeaker but without generating sustained oscillations (Larsen effect) or instabilities. . Passivity ensures this robustness.
  • the servos are likely to be implemented in a real-time digital form, that is to say by means of on-board systems comprising analog-to-digital converters, electrical signal generators and a digital hardware calculator (in French "computer hardware”).
  • the computation of the slaving signal is then rendered after a latency time, equivalent to a delay, which is here denoted T.
  • T a delay
  • Such a delay is inherent in any slaving carried out by digital hardware systems (microprocessor, DSP, microcontroller, etc. FPGA) due to the time taken by the calculation.
  • the present description relates to a device for generating a control signal for an electrical system, the generation device comprising: - an input for an input signal from the electrical system, the input signal being an analog signal representative of a voltage, respectively of a current,
  • control signal being an analog signal representative of a current, respectively of a voltage, the control signal having a first component and a second component,
  • an analog block connected to the input and to the output of the generation device, the analog block comprising an electrical circuit comprising a passive analog component having a first passive characteristic impedance, a voltage measurement component, respectively current, and a current generator, respectively voltage generator,
  • the passive analog component of the electrical circuit being configured to generate the first component of the control signal and the generator of the electrical circuit being configured to generate the second component of the control signal control, the electrical circuit being configured to sum the first and the second generated component in order to obtain the control signal
  • the analog-to-digital converter being configured to convert into digital a measurement of the input signal made by the measurement component of the analog block to obtain a converted input signal
  • the controllable component of the digital block being configured to generate a digital output signal based on the converted input signal and a model of a digital controller connected to a passive component digital having a second passive characteristic impedance, the value of the second impedance ance characteristic being chosen as a function of the value of the first characteristic impedance
  • the digital-to-analog converter being configured to convert the digital output signal to analog to obtain a control of the generator, the second component of the control signal generated by the generator being function of the command obtained from the digital block.
  • each of the analog passive component and the digital passive component is a resistor
  • the second characteristic impedance is greater than or equal to the first characteristic impedance
  • the second characteristic impedance is less than or equal to the first characteristic impedance
  • the measurement component is a voltage measurement component and the generator is a current generator, the passive analog component being connected in parallel of the input and the output and in parallel of the generator and the measuring component, and
  • the measurement component is a current measurement component and the generator is a voltage generator, the passive analog component being connected in series with the generator and the measuring component between the input and the output;
  • the modeling is a modeling of the digital controller connected in series with the digital passive component
  • the modeling is a modeling of the digital controller connected in parallel with the digital passive component
  • controllable component is configured for:
  • controllable component 70 is chosen from the list consisting of: a microprocessor, a digital signal processor, a microcontroller and a network of programmable doors.
  • the subject of the invention is also an audio system, such as a loudspeaker, comprising a device as described above.
  • the subject of the invention is also a method for generating a control signal for an electrical system from a generation device as described above, the method comprising:
  • the input signal being an analog signal representative of a voltage, respectively a current
  • Figure 1 a schematic representation of a direct connection between a physical system S and a digital controller Sc,
  • FIG 2 a schematic representation of a connection of the physical system S of Figure 1 to the digital controller Sc via a passive transmission line introducing a delay (T / 2 on the way and T / 2 on the return ),
  • Figure 3 a schematic representation of a connection of a physical system S to a delayed passive controller formed of a hardware analog block and a hardware digital block,
  • Figure 4 a schematic representation of the analog block of Figure 3 in the case of an admittance type controller
  • Figure 5 a schematic representation of the analog block of Figure 3 in the case of an impedance type controller
  • Figure 6 a schematic representation of a Scr system comprising a Sc controller connected to a passive analog component in the case of an admittance type controller,
  • Figure 7 a schematic representation of a Scr system comprising a Sc controller connected to a passive analog component in the case of an impedance type controller, and
  • Figure 8 a schematic representation of a process implemented by the components of the digital block of Figure 3.
  • FIG. 1 illustrates the state of the art.
  • a physical system S to be electrically controlled is connected directly to a discrete-time passive digital controller Sc via a real-time hardware digital computer 20 and analog-to-digital 22 and digital-to-analog converters 24.
  • a delay T in the signal returned to the system S deteriorates the passivity property.
  • the principle of the invention consists in artificially encapsulating the delay T, intrinsic to the hardware computer, in a virtual passive electrical transmission line 30 shown in FIG. 2.
  • a transmission line introduces a delay of T / 2 on the outward journey and. of T / 2 on return.
  • the principle behind the artificial encapsulation of the delay T in a transmission line is summarized in what follows.
  • the system S (respectively Sc) has (at least) one electrical port characterized by a voltage Vs and a current Is (respectively voltage Vsc and current Isc). Let's virtually connect these two systems on either side of the transmission line.
  • the round trip wave variables associated with S and Sc are denoted Ws + / _ and Wsc + / _ , respectively.
  • Vs, Vsc voltages
  • Is, Isc currents
  • Vs (t) Wsc + (tT / 2) + r ls (t). (2)
  • the delay T / 2 between Ws + and Wsc- can be propagated between Wsc + and Ws _ , in order to consider equally a delay T between Wsc + and Ws (and no delay between Ws + and Wsc).
  • the principle of the invention consists of:
  • This configuration makes it possible to integrate the intrinsic delay in the hardware computer in a passive form.
  • FIG. 3 illustrates a device 40 for generating a control signal for an electrical system S.
  • electrical system is meant an electrically controlled system.
  • the generation device 40 is an admittance type or an impedance type system.
  • An admittance type system is a system capable of receiving a voltage and returning a current.
  • An impedance type system is a system capable of receiving a current and returning a voltage.
  • the generation device 40 includes an input 42, an output 44, an analog block 46, an analog-to-digital converter 48, a digital block 50, and a digital-to-analog converter 52.
  • the input 42 is suitable for receiving an input signal Vc, le from the electrical system S.
  • the input signal Vc, le is an analog signal representative of a voltage Vc when the generation device 40 is of type. admittance and representative of a current Ie when the generation device 40 is of the impedance type.
  • the output 44 is suitable for sending a control signal Is, Vs to the electrical system S.
  • the control signal Is, Vs is an analog signal representative of a current Is when the generation device 40 is of admittance type and representative of a voltage Vs when the generation device 40 is of the impedance type.
  • Analog block 46 is connected to input 42 and output 44 of generation device 40.
  • the analog block 46 comprises a hardware electrical circuit 60 comprising a passive analog component 62, a component 64 for measuring the input signal Vc, the and a generator 66.
  • the measurement component 64 is a voltage measuring component, such as a voltmeter
  • generator 66 is a current generator.
  • the passive analog component 62 is connected in parallel between the input 42 and the output 44 and in parallel between the generator 66 and the measurement component 64.
  • the measurement component 64 is a current measurement component, such as an ammeter
  • the generator 66 is a voltage generator.
  • the passive analog component 62 is connected in series with the generator 66 and with the measurement component 64 between the input 42 and the output 44.
  • the passive analog component 62 is a dissipative component such as a resistor.
  • the analog passive component 62 is a capacitor or a coil.
  • the electrical circuit 60 is configured to generate the control signal Is, Vs of the electrical system S resulting from the sum of a first component and a second component both generated by components of the electrical circuit 60.
  • the passive analog component 62 of the electric circuit 60 is configured to generate the first component of the control signal Is, Vs, resulting from the passage of the input signal Vc, le into the passive analog component 62.
  • the first component is a current 11.
  • the first component is a voltage T 1.
  • the generator 66 of the electric circuit 60 is configured to generate the second component of the control signal Is, Vs as a function of a command received by the generator 66.
  • the command is generated by the digital block 50, as will be described below. of the description.
  • the generator 66 is thus controlled by the digital block 50 and generates the second component according to the command received from the digital block 50.
  • the second component is a current I2.
  • the second component is a T2 voltage.
  • the analog-to-digital converter 48 is connected between the output of analog block 46 and the input of digital block 50.
  • the analog-to-digital converter 48 is configured to convert into digital a measurement of the input signal Vc, the performed by the measurement component 64 of the analog block 46 to obtain a converted input signal SE C readable by the digital block 50.
  • the digital block 50 comprises at least one digitally controllable component 70.
  • the controllable component 70 is a physical element. More precisely, the controllable component 70 is a computer.
  • the digitally controllable component 70 is a microprocessor, a DSP (from the English “Digital Signal Processor” translated into French as “digital signal processor”), a microcontroller or an FPGA (from the English “ field-programmable tincte array ”translated into French as“ network of programmable doors ”).
  • the controllable component 70 is configured to generate a digital output signal S sn um (corresponding to the digital control of the generator 66 of the electric circuit 60) as a function of the converted input signal SE C and a model Scr of a digital controller Sc connected to a digital passive component having a second characteristic impedance.
  • each of the analog passive component 62 and the digital passive component is a resistor.
  • the value of the second characteristic impedance is chosen as a function of the value of the first characteristic impedance.
  • the second characteristic impedance is greater than or equal to the first characteristic impedance.
  • the second characteristic impedance is less than or equal to the first characteristic impedance.
  • the transmission line is conservative if the first and the second characteristic impedance are equal.
  • the first characteristic impedance is known with precision, which prevents strict equality.
  • the first characteristic impedance is denoted R and the second characteristic impedance is denoted r.
  • the power dissipated by the virtual line is given by (1 / R-1 / r) * S sn um 2 > 0 where S sn um is the digital output signal.
  • r £ R and the power dissipated by the virtual line is given by (Rr) * s-num 2> - n U.
  • the digital controller Sc is a discrete time dynamic system, linear or not, intended for controlling the electrical system S.
  • This digital controller Sc is of the admittance type (voltage input v (n) and current output i (n)) or impedance (current input i (n) and voltage output v (n)).
  • the Scr modeling of the digital controller Sc connected to the digital passive component corresponds to the addition of a feedback loop to the controller Sc. This modeling relates the new pair "voltage w (n) and current j (n)".
  • the digital passive component is an impedance resistor r and the generation device 40 is of the admittance type.
  • the modeling Scr is a modeling of the digital controller Sc connected in series with the digital passive component of impedance r.
  • Pr (n) r. i (n) 2 .
  • the digital passive component is an impedance resistor r and the generation device 40 is of the impedance type.
  • the modeling Scr is a modeling of the digital controller Sc connected in parallel with the digital passive component of impedance r.
  • Pr (n) v (n) 2 / r.
  • the digital controller Sc is described by the following equations. These equations are given in the case of a digital controller of input admittance type v (n) and output i (n). Such a controller is represented by:
  • the passivity of the discrete time system is guaranteed by:
  • equations (e.1) and (e.2) can be found in the literature (see for example the article by Itoh, T., & Abe, K. (1988). Hamiltonian- discrete conserving canonical equations based on variational difference quotients. Journal of Computational Physics, 76 (1), 85-102; or the article by Falaize, A., & Hélie, T. (2016). Passive guaranteed simulation of analog audio circuits: A port-Hamiltonian approach, Applied Sciences, 6 (10), 273).
  • the same solver can be used to simulate Sc and Scr. Indeed, to go from Sc to Scr, it suffices to substitute M by M * , which have the same property (positive symmetric matrix).
  • controllable component 70 is configured to implement a method comprising, for example, the steps illustrated in the flowchart of FIG. 8.
  • the method comprises a step 100 of converting the converted input signal SE C coming from the analog-digital converter 48 into a first intermediate signal S mti as a function of the second characteristic impedance and representative of a power wave. More precisely, the first signal intermediate S m u represents the power wave of the virtual transmission line, that is to say the wave transmitted from the physical system S to the digital controller Sc by the virtual transmission line of characteristic impedance r.
  • the first intermediate signal Smu is obtained by multiplying the converted input signal SE C with and by subtracting d ' a fourth intermediate signal S t 4 obtained at the previous instant. Obtaining the fourth intermediate signal S t 4 at the present time is described in the remainder of the description.
  • the first intermediate signal Smu is obtained by multiplying the converted input signal SE C with V2r and by adding d 'a fourth intermediate signal S mt 4 obtained at the previous instant. Obtaining the fourth intermediate signal S t 4 at the present time is described in the remainder of the description.
  • the method comprises a step 110 of converting the first intermediate signal S m u into a second intermediate signal S mt 2 as a function of the second characteristic impedance and representative of a voltage or a current to be applied to the controller Sc.
  • the second intermediate signal S t 2 is obtained by multiplying the first intermediate signal Smu with V2r.
  • the second intermediate signal S t 2 is obtained by multiplying the first intermediate signal Smu
  • the method comprises a step 120 of calculating a third intermediate signal S t 3 as a function of the second intermediate signal S mt 2 and of the modeling Scr.
  • the third intermediate signal S mt 3 is therefore obtained by simulation of the digital system Scr which reproduces the original passive system Sc interfaced to the characteristic impedance transmission line r. This step thus makes it possible to obtain the current or voltage value at the output of the assembly formed from the controller Sc connected to the digital passive component.
  • the generation device 40 is of admittance type
  • the third intermediate signal S t 3 is representative of a current.
  • the third intermediate signal S mt 3 is representative of a voltage.
  • the method comprises a step 130 of converting the third intermediate signal S mt 3 into a fourth intermediate signal S mt 4 as a function of the second characteristic impedance r and representative of a power wave.
  • the fourth intermediate signal S, nt 4 is obtained by multiplying the third intermediate signal Smt3 with V2r and by adding the first intermediate signal Smti.
  • the fourth intermediate signal S, nt 4 is obtained by multiplying the third intermediate signal Smt3 with and by subtracting the first intermediate signal Smti.
  • the method comprises a step 140 of converting the fourth intermediate signal S t4 into the digital output signal S sn um of the controllable component 70 as a function of the second characteristic impedance.
  • the digital output signal S sn um is obtained by multiplying the third intermediate signal
  • the digital output signal S sn um is obtained by multiplying the third intermediate signal Smt3 with (-V2r).
  • Digital-to-analog converter 52 is connected between the input of analog block 46 and the output of digital block 50.
  • analog-to-digital converter 48 and the digital-to-analog converter 52 are synchronized to a common clock signal.
  • the digital-to-analog converter 52 is configured to convert the digital output signal S sn um to analog to obtain a command analog of generator 66 inducing the generation of the second component of the control signal Is, Vs by generator 66.
  • the generation device 40 receives an input signal Vc, the from the electrical system S.
  • the passive analog component 62 of the electrical circuit 60 generates the first component of the control signal Is, Vs as a function of the input signal Vc, le.
  • the generator 66 of the electrical circuit 60 generates the second component of the control signal Is, Vs according to a command received from the digital block 50.
  • the first component and the second component generated are summed at the output of the electric circuit 60 to form the control signal Is, Vs.
  • Control of generator 66 is obtained by the following steps.
  • a measurement of the input signal Vc, le is converted to digital by the analog-to-digital converter 48 to obtain a converted input signal SE C -
  • the controllable component 70 of the digital block 50 then generates a digital output signal S sn um corresponding to the digital control of the generator 66.
  • the digital output signal S sn um is converted into analog by the digital-to-analog converter 52, which makes it possible to obtain the analog command of the generator 66. Depending on the command received, the generator 66 generates the second component of the signal. Command Is, Vs.
  • the generation device 40 was designed to passively control an electrically controlled system S. In particular, it preserves the passivity of the connection in the presence of a delay between a continuous time system to be controlled and a discrete time controller.
  • continuous time / discrete time means that the results of the state of the art do not apply because they concern either only the continuous domain or only the digital domain.
  • the generation device 40 makes it possible to create a passive virtual transmission line “Half-physical, half-digital”.
  • the generation device 40 also takes into account the difficulty of marrying the characteristic impedance of the transmission line in its physical hardware form R and its digital clone r by distinguishing them artificially in the development of the process.
  • the generation 40 device is intended in particular to be used for slaving audio systems, such as loudspeakers, in particular loudspeakers corrected for HIFI, sound absorbers for studios and concert halls, augmented musical instruments or again for the physical reconstruction of the linear or non-linear impedance load of virtual instruments.
  • the generation device 40 is adaptable to any actuated physical system, such as vibration absorbers and acoustic absorbers for aeronautics and transport, vibrating surface controllers (acoustic diffusion without loudspeaker) or stabilizers for mechatronic systems.
  • actuated physical system such as vibration absorbers and acoustic absorbers for aeronautics and transport, vibrating surface controllers (acoustic diffusion without loudspeaker) or stabilizers for mechatronic systems.
  • actuated physical system such as vibration absorbers and acoustic absorbers for aeronautics and transport, vibrating surface controllers (acoustic diffusion without loudspeaker) or stabilizers for mechatronic systems.
  • actuated physical system such as vibration absorbers and acoustic absorbers for aeronautics and transport, vibrating surface controllers (acoustic diffusion without loudspeaker) or stabilizers for mechatronic systems.
  • the invention is not limited to the examples described in the description.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de génération (40) d'un signal de commande d'un système électrique (S) comprenant : - un bloc analogique (46) connecté à l'entrée (42) et à la sortie (44) du dispositif de génération (40), le bloc analogique (46) comprenant un circuit électrique comprenant un composant passif analogique, un composant de mesure, et un générateur, - un bloc numérique (50) comprenant au moins un composant (70) commandable numériquement, le composant passif analogique du circuit électrique étant configuré pour générer la première composante du signal de commande et le générateur du circuit électrique étant configuré pour générer la deuxième composante du signal de commande, le circuit électrique étant configuré pour sommer la première et de la deuxième composante générées afin d'obtenir le signal de commande.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Dispositif de génération d’un signal de commande d’un système électrique
La présente invention concerne un dispositif de génération d’un signal de commande d’un système électrique. La présente invention porte également sur un système audio comprenant un tel dispositif. La présente invention porte aussi sur un procédé associé.
La passivité décrit le fait qu'un système ne peut créer spontanément de l'énergie mais seulement la stocker et/ou la dissiper. A titre illustratif, un réseau de résistances, diodes, bobines ou condensateurs (linéaires ou non) connecté à un haut-parleur modifiera le comportement mécanique et acoustique du haut-parleur mais sans générer d'oscillations entretenues (effet Larsen) ou d’instabilités. La passivité assure cette robustesse. Plus généralement, un système physique passif satisfait un bilan de puissance de type dE(t)/dt= Pext(t)-Pdis(t) (variation temporelle de l'énergie stockée = puissance apportée par l'extérieur - puissance dissipée) avec une puissance dissipée Pdis positive (ou nulle dans le cas conservatif).
Dans le cas d'asservissements complexes, les asservissements sont susceptibles d’être implémentés sous une forme numérique temps-réel, c’est-à-dire au moyen de systèmes embarqués comprenant des convertisseurs analogiques- numériques, des générateurs de signaux électriques et un calculateur numérique hardware (en français « matériel informatique »). Le calcul du signal d'asservissement est alors rendu après un temps de latence, équivalent à un retard, qui est ici noté T. Un tel retard est inhérent à tout asservissement réalisé par des systèmes numériques hardware (microprocesseur, DSP, micro-contrôleur, FPGA) dû au temps pris par le calcul.
Or, l’inclusion d’un retard dans une boucle de rétro-action est susceptible de détériorer la propriété de passivité et de rendre ainsi l’asservissement inefficace ou même de provoquer sa déstabilisation.
Il existe donc un besoin pour un dispositif permettant d’asservir un système de manière passive.
A cet effet, la présente description a pour objet un dispositif de génération d’un signal de commande d’un système électrique, le dispositif de génération comprenant : - une entrée pour un signal d’entrée en provenance du système électrique, le signal d’entrée étant un signal analogique représentatif d’une tension, respectivement d’un courant,
- une sortie pour le signal de commande, le signal de commande étant un signal analogique représentatif d’un courant, respectivement d’une tension, le signal de commande ayant une première composante et une deuxième composante,
- un bloc analogique connecté à l’entrée et à la sortie du dispositif de génération, le bloc analogique comprenant un circuit électrique comprenant un composant passif analogique ayant une première impédance caractéristique passive, un composant de mesure de tension, respectivement de courant, et un générateur de courant, respectivement de tension,
- un bloc numérique comprenant au moins un composant commandable numériquement,
- un convertisseur analogique-numérique connecté entre le bloc analogique et le bloc numérique, et
- un convertisseur numérique-analogique connecté entre le bloc analogique et le bloc numérique, le composant passif analogique du circuit électrique étant configuré pour générer la première composante du signal de commande et le générateur du circuit électrique étant configuré pour générer la deuxième composante du signal de commande, le circuit électrique étant configuré pour sommer la première et de la deuxième composante générées afin d’obtenir le signal de commande, le convertisseur analogique-numérique étant configuré pour convertir en numérique une mesure du signal d’entrée effectuée par le composant de mesure du bloc analogique pour obtenir un signal d’entrée converti, le composant commandable du bloc numérique étant configuré pour générer un signal de sortie numérique en fonction du signal d’entrée converti et d’une modélisation d’un contrôleur numérique connecté à un composant passif numérique ayant une deuxième impédance caractéristique passive, la valeur de la deuxième impédance caractéristique étant choisie en fonction de la valeur de la première impédance caractéristique, le convertisseur numérique-analogique étant configuré pour convertir en analogique le signal de sortie numérique pour obtenir une commande du générateur, la deuxième composante du signal de commande générée par le générateur étant fonction de la commande obtenue à partir du bloc numérique. Suivant d’autres aspects avantageux, le dispositif de génération comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le composant passif analogique et le composant passif numérique sont de même nature ;
- chacun du composant passif analogique et du composant passif numérique est une résistance ;
- lorsque le signal d’entrée est représentatif d’une tension et le signal de commande est représentatif d’un courant, la deuxième impédance caractéristique est supérieure ou égale à la première impédance caractéristique, et
- lorsque le signal d’entrée est représentatif d’un courant et le signal de commande est représentatif d’une tension, la deuxième impédance caractéristique est inférieure ou égale à la première impédance caractéristique ;
- lorsque le signal d’entrée est représentatif d’une tension et le signal de commande est représentatif d’un courant, le composant de mesure est un composant de mesure de tension et le générateur est un générateur de courant, le composant passif analogique étant connecté en parallèle de l’entrée et de la sortie et en parallèle du générateur et du composant de mesure, et
- lorsque le signal d’entrée est représentatif d’un courant et le signal de commande est représentatif d’une tension, le composant de mesure est un composant de mesure de courant et le générateur est un générateur de tension, le composant passif analogique étant connecté en série avec le générateur et le composant de mesure entre l’entrée et la sortie ;
- lorsque le signal d’entrée est représentatif d’une tension et le signal de commande est représentatif d’un courant, la modélisation est une modélisation du contrôleur numérique connecté en série du composant passif numérique, et
- lorsque le signal d’entrée est représentatif d’un courant et le signal de commande est représentatif d’une tension, la modélisation est une modélisation du contrôleur numérique connecté en parallèle du composant passif numérique ;
- le composant commandable est configuré pour :
• convertir le signal d’entrée converti en provenance du convertisseur analogique-numérique en un premier signal intermédiaire fonction de la deuxième impédance caractéristique et représentatif d’une onde de puissance, • convertir le premier signal intermédiaire en un deuxième signal intermédiaire fonction de la deuxième impédance caractéristique et représentatif d’une tension, respectivement d’un courant,
• calculer un troisième signal intermédiaire en fonction du deuxième signal intermédiaire et de la modélisation,
• convertir le troisième signal intermédiaire en un quatrième signal intermédiaire fonction de la deuxième impédance caractéristique et représentatif d’une onde de puissance, et
• convertir le quatrième signal intermédiaire en le signal de sortie numérique du composant commandable en fonction de la deuxième impédance caractéristique, le quatrième signal intermédiaire étant représentatif d’une tension, respectivement d’un courant.
- le composant commandable 70 est choisi dans la liste constituée de : un microprocesseur, un processeur de signal numérique, un micro-contrôleur et un réseau de portes programmables.
L’invention a également pour objet un système audio, tel qu’un haut-parleur, comprenant un dispositif tel que décrit précédemment.
L’invention a également pour objet un procédé de génération d’un signal de commande d’un système électrique à partir d’un dispositif de génération tel que décrit précédemment, le procédé comprenant :
- la réception d’un signal d’entrée en provenance du système électrique en entrée du dispositif de génération, le signal d’entrée étant un signal analogique représentatif d’une tension, respectivement d’un courant,
- la conversion en numérique d’une mesure du signal d’entrée effectuée par le composant de mesure du bloc analogique pour obtenir un signal d’entrée converti,
- la génération d’un signal de sortie numérique par le composant commandable du bloc numérique,
- la conversion en analogique du signal de sortie numérique pour obtenir une commande du générateur du circuit électrique,
- la génération de la première composante du signal de commande par le composant passif analogique du circuit électrique,
- la génération de la deuxième composante du signal de commande par le générateur du circuit électrique en fonction de la commande obtenue à partir du bloc numérique, et
- la somme de la première composante et de la deuxième composante générées par le circuit électrique pour obtenir le signal de commande. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l’invention, donnée à titre d’exemple uniquement, et en référence aux dessins qui sont :
- [Fig 1 ] figure 1 , une représentation schématique d’une connexion directe entre un système physique S et un contrôleur numérique Sc,
- [Fig 2] figure 2, une représentation schématique d’une connexion du système physique S de la figure 1 au contrôleur numérique Sc via une ligne de transmission passive introduisant un retard (T/2 à l’aller et T/2 au retour),
- [Fig 3] figure 3, une représentation schématique d’une connexion d’un système physique S à un contrôleur passif retardé formé d’un bloc analogique hardware et d’un bloc numérique hardware,
- [Fig 4] figure 4, une représentation schématique du bloc analogique de la figure 3 dans le cas d’un contrôleur de type admittance,
- [Fig 5] figure 5, une représentation schématique du bloc analogique de la figure 3 dans le cas d’un contrôleur de type impédance,
- [Fig 6] figure 6, une représentation schématique d’un système Scr comprenant un contrôleur Sc connecté à un composant passif analogique dans le cas d’un contrôleur de type admittance,
- [Fig 7] figure 7, une représentation schématique d’un système Scr comprenant un contrôleur Sc connecté à un composant passif analogique dans le cas d’un contrôleur de type impédance, et
- [Fig 8] figure 8, une représentation schématique d’un procédé mis en oeuvre par les composants du bloc numérique de la figure 3.
Principe général
La figure 1 illustre l’état de la technique. Sur cette figure 1 , un système physique S à contrôler électriquement est connecté directement à un contrôleur numérique passif Sc à temps discret via un calculateur numérique hardware temps réel 20 et des convertisseurs analogique-numérique 22 et numérique-analogique 24. Comme représenté sur cette figure 1 , un retard T dans le signal retourné au système S vient détériorer la propriété de passivité.
Le principe de l’invention consiste à encapsuler artificiellement le retard T, intrinsèque au calculateur hardware, dans une ligne de transmission électrique passive virtuelle 30 représentée en figure 2. Une telle ligne de transmission introduit un retard de T/2 à l’aller et de T/2 au retour. Le principe à l’origine de l’encapsulage artificiel du retard T dans une ligne de transmission est résumé dans ce qui suit. Le système S (respectivement Sc) possède (au moins) un port électrique caractérisé par une tension Vs et un courant Is (respectivement tension Vsc et courant Isc). Connectons virtuellement ces deux systèmes de part et d’autre de la ligne de transmission. La propagation est décrite par deux équations de transport, dont les solutions sont des ondes aller/retour, notées W+/_ (où, pour un système donné S ou Sc, W+ désignera l’onde qui en sort et W- l’onde qui y entre). On considère ici une transmission sans perte, unidimensionnelle et dans un milieu d’impédance caractéristique r (en Ohm).
Les variables d’ondes aller/retour associées à S et Sc sont notées Ws+/_ et Wsc+/_, respectivement. L’onde entrante dans Sc à l’instant t est égale à l’onde sortante de S à l’instant t-T/2, soit Wsc (t) = Ws+(t-T/2) et réciproquement, Ws (t) = Wsc+(t-T/2) de S à Sc, ce qui implique une durée d’aller-retour totale T.
Les tensions (Vs, Vsc) et courants (Is, Isc) sont converties en variables d’ondes aller/retour Ws+/ et Wsc+/ via le changement de variable suivant :
W+/- (t) = [V(t) +/- r l(t)], (1) qui dépend de l’impédance caractéristique r choisie. En particulier, la conversion au niveau du port électrique de S s’exprime :
Vs (t) = Wsc+(t-T/2) + r ls(t). (2)
Dans (2) apparaît une relation instantanée (sans retard) entre Vs et Is à travers r. Cette relation sera réalisée physiquement en plaçant un composant passif analogique entre S et le calculateur.
Le reste de la conversion est implanté numériquement dans le calculateur, c’est-à-dire (i) la conversion (2) ôtée la relation instantanée entre Vs et Is, (ii) la conversion (1 ) pour Sc, liant (Vc, le) à (Wsc+, Wsc ).
De plus, pour les systèmes Sc stationnaires, le retard T/2 entre Ws+ et Wsc- peut être propagé entre Wsc+ et Ws_, afin de considérer de manière équivalente un retard T entre Wsc+ et Ws (et aucun retard entre Ws+ et Wsc ).
Ainsi, plutôt que d’interfacer directement le système physique S au contrôleur numérique passif Sc, le principe de l’invention consiste à :
- interfacer le système physique S à un circuit analogique comprenant un générateur et un composant passif analogique, l’impédance du composant passif analogique étant destinée à représenter l’impédance caractéristique de la ligne de transmission électrique virtuelle, modifier le calculateur numérique hardware 20 (selon un algorithme approprié) de sorte que le contrôleur Sc soit vu au travers de la ligne de transmission. Cette modification consiste à simuler un système Scr (et non plus Sc) encapsulé dans une suite d’opérations algébriques reproduisant l’équation (1) précédente.
Cette configuration permet d’intégrer le retard intrinsèque au calculateur hardware sous une forme passive.
Mise en œuvre du principe général
La figure 3 illustre un dispositif 40 de génération d’un signal de commande d’un système électrique S. Par le terme « système électrique », il est entendu un système contrôlé électriquement.
Le dispositif de génération 40 est un système de type admittance ou de type impédance. Un système de type admittance est un système propre à recevoir une tension et à retourner un courant. Un système de type impédance est un système propre à recevoir un courant et à retourner une tension.
Le dispositif de génération 40 comprend une entrée 42, une sortie 44, un bloc analogique 46, un convertisseur analogique-numérique 48, un bloc numérique 50 et un convertisseur numérique-analogique 52.
L’entrée 42 est propre à recevoir un signal d’entrée Vc, le en provenance du système électrique S. Le signal d’entrée Vc, le est un signal analogique représentatif d’une tension Vc lorsque le dispositif de génération 40 est de type admittance et représentatif d’un courant le lorsque le dispositif de génération 40 est de type impédance.
La sortie 44 est propre à envoyer un signal de commande Is, Vs au système électrique S. Le signal de commande Is, Vs est un signal analogique représentatif d’un courant Is lorsque le dispositif de génération 40 est de type admittance et représentatif d’une tension Vs lorsque le dispositif de génération 40 est de type impédance.
Le bloc analogique 46 est connecté à l’entrée 42 et à la sortie 44 du dispositif de génération 40.
Comme illustré par les figures 4 et 5, le bloc analogique 46 comprend un circuit électrique hardware 60 comprenant un composant passif analogique 62, un composant 64 de mesure du signal d’entrée Vc, le et un générateur 66.
En particulier, comme illustré par la figure 4 (Type Norton), lorsque le dispositif de génération 40 est de type admittance, le composant de mesure 64 est un composant de mesure de tension, tel qu’un voltmètre, et le générateur 66 est un générateur de courant. Le composant passif analogique 62 est connecté en parallèle entre l’entrée 42 et de la sortie 44 et en parallèle du générateur 66 et du composant de mesure 64.
Dans l’exemple illustré par la figure 5 (Type Thévenin), lorsque le dispositif de génération 40 est de type impédance, le composant de mesure 64 est un composant de mesure de courant, tel qu’un ampèremètre, et le générateur 66 est un générateur de tension. Le composant passif analogique 62 est connecté en série avec le générateur 66 et avec le composant de mesure 64 entre l’entrée 42 et la sortie 44.
Dans l’exemple illustré par les figures 4 et 5, le composant passif analogique 62 est un composant dissipatif tel qu’une résistance.
En variante, le composant passif analogique 62 est un condensateur ou une bobine.
Le circuit électrique 60 est configuré pour générer le signal de commande Is, Vs du système électrique S résultant de la somme d’une première composante et d’une deuxième composante toutes deux générées par des composants du circuit électrique 60.
Plus précisément, le composant passif analogique 62 du circuit électrique 60 est configuré pour générer la première composante du signal de commande Is, Vs, résultant du passage du signal d’entrée Vc, le dans le composant passif analogique 62. Dans le cas Norton, la première composante est un courant 11. Dans le cas Thévenin, la première composante est une tension T 1 .
Le générateur 66 du circuit électrique 60 est configuré pour générer la deuxième composante du signal de commande Is, Vs en fonction d’une commande reçue par le générateur 66. La commande est générée par le bloc numérique 50, comme cela sera décrit dans la suite de la description. Le générateur 66 est, ainsi, commandé par le bloc numérique 50 et génère la deuxième composante en fonction de la commande reçue en provenance du bloc numérique 50. Dans le cas Norton, la deuxième composante est un courant I2. Dans le cas Thévenin, la deuxième composante est une tension T2.
Le convertisseur analogique-numérique 48 est connecté entre la sortie du bloc analogique 46 et l’entrée du bloc numérique 50.
Le convertisseur analogique-numérique 48 est configuré pour convertir en numérique une mesure du signal d’entrée Vc, le effectuée par le composant de mesure 64 du bloc analogique 46 pour obtenir un signal d’entrée converti SE C lisible par le bloc numérique 50. Le bloc numérique 50 comprend au moins un composant 70 commandable numériquement. Le composant commandable 70 est un élément physique. Plus précisément, le composant commandable 70 est un calculateur.
Par exemple, le composant commandable numériquement 70 est un microprocesseur, un DSP (de l’anglais « Digital Signal Processor » traduit en français par « processeur de signal numérique »), un micro-contrôleur ou encore un FPGA (de l’anglais « field-programmable gâte array » traduit en français par « réseau de portes programmables »).
Le composant commandable 70 est configuré pour générer un signal de sortie numérique Ss num (correspondant à la commande en numérique du générateur 66 du circuit électrique 60) e n fonction du signal d’entrée converti SE C et d’une modélisation Scr d’un contrôleur numérique Sc connecté à un composant passif numérique ayant une deuxième impédance caractéristique.
Le composant passif analogique et le composant passif numérique sont de même nature. Par exemple, chacun du composant passif analogique 62 et du composant passif numérique est une résistance.
La valeur de la deuxième impédance caractéristique est choisie en fonction de la valeur de la première impédance caractéristique.
En particulier, lorsque le dispositif de génération 40 est de type admittance, la deuxième impédance caractéristique est supérieure ou égale à la première impédance caractéristique. Lorsque le dispositif de génération 40 est de type impédance, la deuxième impédance caractéristique est inférieure ou égale à la première impédance caractéristique.
En effet, la ligne de transmission est conservative si la première et la deuxième impédance caractéristique sont égales. Néanmoins, en pratique, la première impédance caractéristique est connue à une précision près, ce qui empêche l’égalité stricte. Par exemple, dans le cas de résistances, la première impédance caractéristique est notée R et la deuxième impédance caractéristique est notée r. Dans le cas admittance, r > R et la puissance dissipée par la ligne virtuelle est donnée par (1/R-1 /r) *Ss num2 > 0 où Ss num est le signal de sortie numérique. Dans le cas impédance, r £ R et la puissance dissipée par la ligne virtuelle est donnée par (R-r) * s-num 2 > — n U.
Le contrôleur numérique Sc est un système dynamique à temps discret, linéaire ou non, destiné au contrôle du système électrique S. Ce contrôleur numérique Sc est de type admittance (entrée en tension v(n) et sortie en courant i(n)) ou impédance (entrée en courant i(n) et sortie en tension v(n)). Avantageusement, le contrôleur numérique Sc est passif, c’est-à-dire, satisfaisant l’équation [ E(n+1 ) - E(n) ] / T = Pext(n) - Pdis(n) avec Pdis(n) > 0, où la puissance apportée par l’extérieur Pext(n) est le produit « entrée.sortie », c’est-à-dire dans les deux cas, v(n).i(n).
La modélisation Scr du contrôleur numérique Sc connecté au composant passif numérique correspond à l’ajout d’une boucle de rétroaction au contrôleur Sc. Cette modélisation met en relation le nouveau couple « tension w(n) et courant j(n) ».
Notamment, dans l’exemple illustré par la figure 6, le composant passif numérique est une résistance d’impédance r et le dispositif de génération 40 est de type admittance. Dans ce cas, la modélisation Scr est une modélisation du contrôleur numérique Sc connecté en série du composant passif numérique d’impédance r. Le bouclage s’exprime sous la forme : w(n)= v(n)+r.i(n) & j(n) = i(n). La puissance dissipée par le composant passif numérique est donnée par : Pr(n)= r. i(n)2.
Dans l’exemple illustré par la figure 7, le composant passif numérique est une résistance d’impédance r et le dispositif de génération 40 est de type impédance. Dans ce cas, la modélisation Scr est une modélisation du contrôleur numérique Sc connecté en parallèle du composant passif numérique d’impédance r. Le bouclage s’exprime sous la forme : w(n)=v(n) & j(n) = i(n)+v(n)/r. La puissance dissipée par le composant passif numérique est donnée par : Pr(n)= v(n)2/r.
Dans ces exemples, l’ensemble Scr est passif car le composant passif numérique d’impédance r ajoute de la dissipation au contrôleur Sc. En effet, puisque v(n)i(n)= -Pr(n) + w(n)j(n), le bilan de puissance devient :
[ E(n+1)-E(n) ]/T = -[Pdis(n) + Pr(n)] + w(n).j(n) où w(n).j(n) représente la puissance apportée à l’ensemble Scr par l’extérieur, et où la puissance dissipée par l’ensemble Scr est Pdis(n)+ Pr(n) > Pdis(n) > 0.
Dans un exemple, le contrôleur numérique Sc est décrit par les équations suivantes. Ces équations sont données dans le cas d’un contrôleur numérique de type admittance d’entrée v(n) et de sortie i(n). Un tel contrôleur est représenté par :
- un vecteur d’état x(n) de dimension Nx,
- une équation sur la dynamique de son état en fonction de l’entrée v(n): ôx(n)/T = [J(x(n)) - M(x(n))]VdH(x(n), ôx(n)) + G(x(n)) v(n) (e.1) avec
• x(n+1)= x(n) + ôx(n) ;
• J : matrice antisymétrique de taille Nx x Nx ;
• M : matrice symétrique positive de taille Nx x Nx ;
• G : vecteur de taille Nx ; • H : fonction régulière scalaire définie positive ;
• Vd: opérateur tel que VdH(x(n), dc(h)) . dc(h) = H(x(n+1)) - H(x(n)).
- une équation sur sa sortie i(n): i(n) = G (x(n))T VdH(x(n), dc(h)). (e.2)
L’énergie du contrôleur Sc est défini par E(n) = H(x(n)). D’après (e.1) et (e.2), on peut alors écrire
[E(n+1) - E(n)]/T =i(n) v(n) - VdH(x(n), dc(h))t M(x(n)) VdH(x(n), dc(h)) où VdH(x(n), dc(h))t M(x(n)) VdH(x(n), dc(h)) > 0 (puissance dissipée positive ou nulle).
La passivité du système à temps discret est garantie par :
[ E(n+1) - E(n) ]/T < i(n). v(n).
La construction de solveur pour les équations (e.1 ) et (e.2) peut être retrouvée dans la littérature (voir par exemple l’article de Itoh, T., & Abe, K. (1988). Hamiltonian- conserving discrète canonical équations based on variational différence quotients. Journal of Computational Physics, 76(1 ), 85-102; ou l’article de Falaize, A., & Hélie, T. (2016). Passive guaranteed simulation of analog audio circuits: A port- Hamiltonian approach. Applied Sciences, 6(10), 273).
Dans ce cas, la modélisation pour le système Scr comprenant le contrôleur Sc connecté au composant passif numérique d’impédance r est donnée par les équations suivantes. En premier lieu, le bouclage entrée-sortie associé au système Scr s’écrit (voir figure 6) : v(n) = w(n) -r.i(n), que l’on peut injecter dans l’équation (e.1 ), ce qui mène à : dc(h)/T = [J(x(n)) - M*(x(n))] VdH(x(n), dc(h)) + G(x(n)) w(n), avec M*(x(n))= M(x(n)) + r GT(x(n)) G(x(n)) ³ 0.
Ainsi, le même solveur est utilisable pour simuler Sc et Scr. En effet, pour passer de Sc à Scr, il suffit de substituer M par M*, qui ont la même propriété (matrice symétrique positive).
Pour générer le signal de sortie numérique Ss num, le composant commandable 70 est configuré pour mettre en oeuvre un procédé comprenant, par exemple, les étapes illustrées sur l’organigramme de la figure 8.
Le procédé comprend une étape 100 de conversion du signal d’entrée converti SE C en provenance du convertisseur analogique-numérique 48 en un premier signal intermédiaire Smti fonction de la deuxième impédance caractéristique et représentatif d’une onde de puissance. Plus précisément, le premier signal intermédiaire Smu représente l’onde de puissance de la ligne de transmission virtuelle, c’est-à-dire l’onde transmise du système physique S au contrôleur numérique Sc par la ligne de transmission virtuelle d’impédance caractéristique r.
Par exemple, lorsque le dispositif de génération 40 est de type admittance et que le composant passif numérique est une résistance d’impédance r, le premier signal intermédiaire Smu est obtenu par multiplication de signal d’entrée converti SE C avec et par soustraction d’un quatrième signal intermédiaire S t4 obtenu à l’instant précédent. L’obtention du quatrième signal intermédiaire S t4 à l’instant présent est décrit dans la suite de la description.
Par exemple, lorsque le dispositif de génération 40 est de type impédance et que le composant passif numérique est une résistance d’impédance r, le premier signal intermédiaire Smu est obtenu par multiplication de signal d’entrée converti SE C avec V2r et par addition d’un quatrième signal intermédiaire Smt4 obtenu à l’instant précédent. L’obtention du quatrième signal intermédiaire S t4 à l’instant présent est décrit dans la suite de la description.
Le procédé comprend une étape 110 de conversion du premier signal intermédiaire Smu en un deuxième signal intermédiaire Smt2 fonction de la deuxième impédance caractéristique et représentatif d’une tension ou d’un courant à appliquer au contrôleur Sc.
Par exemple, lorsque le dispositif de génération 40 est de type admittance et que le composant passif numérique est une résistance d’impédance r, le deuxième signal intermédiaire S t2 est obtenu par multiplication du premier signal intermédiaire Smu avec V2r.
Par exemple, lorsque le dispositif de génération 40 est de type impédance et que le composant passif numérique est une résistance d’impédance r, le deuxième signal intermédiaire S t2 est obtenu par multiplication du premier signal intermédiaire Smu
Le procédé comprend une étape 120 de calcul d’un troisième signal intermédiaire S t3 en fonction du deuxième signal intermédiaire Smt2 et de la modélisation Scr. Le troisième signal intermédiaire Smt3 est donc obtenu par simulation du système numérique Scr qui reproduit le système passif original Sc interfacé à la ligne de transmission d’impédance caractéristique r. Cette étape permet, ainsi, d’obtenir la valeur de courant ou de tension en sortie de l’ensemble formé du contrôleur Sc connecté au composant passif numérique. Lorsque le dispositif de génération 40 est de type admittance, le troisième signal intermédiaire S t3 est représentatif d’un courant. Lorsque le dispositif de génération 40 est de type impédance, le troisième signal intermédiaire Smt3 est représentatif d’une tension.
Le procédé comprend une étape 130 de conversion du troisième signal intermédiaire Smt3 en un quatrième signal intermédiaire Smt4 fonction de la deuxième impédance caractéristique r et représentatif d’une onde de puissance.
Par exemple, lorsque le dispositif de génération 40 est de type admittance et que le composant passif numérique est une résistance d’impédance r, le quatrième signal intermédiaire S,nt4 est obtenu par multiplication du troisième signal intermédiaire Smt3 avec V2r et par ajout du premier signal intermédiaire Smti .
Par exemple, lorsque le dispositif de génération 40 est de type impédance et que le composant passif numérique est une résistance d’impédance r, le quatrième signal intermédiaire S,nt4 est obtenu par multiplication du troisième signal intermédiaire Smt3 avec et par soustraction du premier signal intermédiaire Smti .
Le procédé comprend une étape 140 de conversion du quatrième signal intermédiaire S t4 en le signal de sortie numérique Ss num du composant commandable 70 en fonction de la deuxième impédance caractéristique.
Par exemple, lorsque le dispositif de génération 40 est de type admittance et que le composant passif numérique est une résistance d’impédance r, le signal de sortie numérique Ss num est obtenu par multiplication du troisième signal intermédiaire
Par exemple, lorsque le dispositif de génération 40 est de type impédance et que le composant passif numérique est une résistance d’impédance r, le signal de sortie numérique Ss num est obtenu par multiplication du troisième signal intermédiaire Smt3 avec (-V2r).
Le convertisseur numérique-analogique 52 est connecté entre l’entrée du bloc analogique 46 et la sortie du bloc numérique 50.
Avantageusement, le convertisseur analogique-numérique 48 et le convertisseur numérique-analogique 52 sont synchronisés sur un signal d’horloge commun.
Le convertisseur numérique-analogique 52 est configuré pour convertir en analogique le signal de sortie numérique Ss num pour obtenir une commande analogique du générateur 66 induisant la génération de la deuxième composante du signal de commande Is, Vs par le générateur 66.
Le fonctionnement du dispositif de génération 40 va maintenant être décrit.
Initialement, le dispositif de génération 40 reçoit en entrée un signal d’entrée Vc, le en provenance du système électrique S.
Le composant passif analogique 62 du circuit électrique 60 génère la première composante du signal de commande Is, Vs en fonction du signal d’entrée Vc, le.
Le générateur 66 du circuit électrique 60 génère la deuxième composante du signal de commande Is, Vs en fonction d’une commande reçue en provenance du bloc numérique 50.
La première composante et la deuxième composante générées sont sommées en sortie du circuit électrique 60 pour former le signal de commande Is, Vs.
La commande du générateur 66 est obtenue par les étapes suivantes. Une mesure du signal d’entrée Vc, le est converti en numérique par le convertisseur analogique-numérique 48 pour obtenir un signal d’entrée converti SE C-
Le composant commandable 70 du bloc numérique 50 génère ensuite un signal de sortie numérique Ss num correspondant à la commande en numérique du générateur 66.
Le signal de sortie numérique Ss num est converti en analogique par le convertisseur numérique-analogique 52, ce qui permet d’obtenir la commande en analogique du générateur 66. En fonction de la commande reçue, le générateur 66 génère la deuxième composante du signal de commande Is, Vs.
Ainsi, le dispositif de génération 40 a été conçu pour asservir de manière passive un système S piloté électriquement. Il permet notamment de préserver la passivité de la connexion en présence d’un retard entre un système à temps continu à contrôler et un contrôleur à temps discret. La spécificité « temps continu/temps discret » fait que les résultats de l’état de la technique ne s’appliquent pas car ils concernent soit uniquement le domaine continu, soit uniquement le domaine numérique.
Par la combinaison d’éléments hardware analogiques (sur la partie à temps continu), d’éléments hardware numériques et d’éléments algorithmiques (sur la partie à temps discret), le dispositif de génération 40 permet de réaliser une ligne de transmission virtuelle passive « mi-physique, mi-numérique ».
Le dispositif de génération 40 tient également compte de la difficulté à marier l’impédance caractéristique de la ligne de transmission sous sa forme physique hardware R et son clone numérique r en les distinguant artificiellement dans l’élaboration du procédé. Cette approche combinée à une analyse de dissipativité conduit à une relation d’ordre entre R et r : le procédé donne les conditions qui permettent d’assurer la passivité compte-tenu des incertitudes sur R (potentielles sensibilité à la température, variations dans le temps, etc). Le dispositif de génération 40 est notamment destiné à être utilisé pour asservir des systèmes audios, tels que des haut-parleurs, notamment des haut-parleurs corrigé pour la HIFI, des absorbeurs acoustiques pour studios et salles de concert, des instruments de musique augmentés ou encore pour la reconstruction physique de la charge impédancielle linéaire ou non d'instruments virtuels. De manière plus générale, le dispositif de génération 40 est adaptable à tout système physique actionné, tel que des absorbeurs de vibrations et des absorbeurs acoustiques pour l'aéronautique et les transports, des contrôleurs de surfaces vibrantes (diffusion acoustique sans haut-parleur) ou des stabilisateurs de systèmes mécatroniques. L’homme du métier comprendra que l’invention ne se limite pas aux exemples décrits dans la description. Par exemple, il est à noter que des informations supplémentaires provenant de capteurs physiques (signaux conditionnés et convertis en numérique) prélevés ou non sur le système physique S ou des signaux numériques (trajectoire cible, réglage ou autre type d’information) sont susceptibles d’être fournies au contrôleur Sc. Il est également à noter que le contrôleur numérique Sc pourrait être remplacé par un système passif ou à bilan de puissance équilibré possédant un port de connexion numérique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de génération (40) d’un signal de commande (Is ; Vs) d’un système électrique (S), le dispositif de génération (40) comprenant :
- une entrée (42) pour un signal d’entrée (Vc ; le) en provenance du système électrique (S), le signal d’entrée (Vc ; le) étant un signal analogique représentatif d’une tension, respectivement d’un courant,
- une sortie (44) pour le signal de commande (Is ; Vs), le signal de commande (Is ; Vs) étant un signal analogique représentatif d’un courant, respectivement d’une tension, le signal de commande (Is ; Vs) ayant une première composante et une deuxième composante,
- un bloc analogique (46) connecté à l’entrée (42) et à la sortie (44) du dispositif de génération (40), le bloc analogique (46) comprenant un circuit électrique (60) comprenant un composant passif analogique (62) ayant une première impédance caractéristique passive (R), un composant (64) de mesure de tension, respectivement de courant, et un générateur (66) de courant, respectivement de tension,
- un bloc numérique (50) comprenant au moins un composant (70) commandable numériquement,
- un convertisseur analogique-numérique (48) connecté entre le bloc analogique (46) et le bloc numérique (50), et
- un convertisseur numérique-analogique (52) connecté entre le bloc analogique (46) et le bloc numérique (50), le composant passif analogique (62) du circuit électrique (60) étant configuré pour générer la première composante du signal de commande (Is ; Vs) et le générateur (66) du circuit électrique (60) étant configuré pour générer la deuxième composante du signal de commande (Is ; Vs), le circuit électrique (60) étant configuré pour sommer la première et de la deuxième composante générées afin d’obtenir le signal de commande (Is ; Vs), le convertisseur analogique-numérique (48) étant configuré pour convertir en numérique une mesure du signal d’entrée (Vc ; le) effectuée par le composant de mesure (64) du bloc analogique (46) pour obtenir un signal d’entrée converti (SE C), le composant commandable (70) du bloc numérique (50) étant configuré pour générer un signal de sortie numérique (Ss num) en fonction du signal d’entrée converti (SE C) et d’une modélisation (Scr) d’un contrôleur numérique (Sc) connecté à un composant passif numérique ayant une deuxième impédance caractéristique passive (r), la valeur de la deuxième impédance caractéristique (r) étant choisie en fonction de la valeur de la première impédance caractéristique (R), le convertisseur numérique-analogique (52) étant configuré pour convertir en analogique le signal de sortie numérique (Ss num) pour obtenir une commande du générateur (66), la deuxième composante du signal de commande (Is ; Vs) générée par le générateur (66) étant fonction de la commande obtenue à partir du bloc numérique (50).
2. Dispositif (40) selon la revendication 1 , dans lequel le composant passif analogique (62) et le composant passif numérique sont de même nature.
3. Dispositif (40) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chacun du composant passif analogique (62) et du composant passif numérique est une résistance.
4. Dispositif (40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel :
- lorsque le signal d’entrée (Vc) est représentatif d’une tension et le signal de commande (Is) est représentatif d’un courant, la deuxième impédance caractéristique (r) est supérieure ou égale à la première impédance caractéristique (R), et
- lorsque le signal d’entrée (le) est représentatif d’un courant et le signal de commande (Vs) est représentatif d’une tension, la deuxième impédance caractéristique (r) est inférieure ou égale à la première impédance caractéristique (R).
5. Dispositif (40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel :
- lorsque le signal d’entrée (Vc) est représentatif d’une tension et le signal de commande (Is) est représentatif d’un courant, le composant de mesure (64) est un composant de mesure de tension et le générateur (66) est un générateur de courant, le composant passif analogique (62) étant connecté en parallèle de l’entrée (42) et de la sortie (44) et en parallèle du générateur (66) et du composant de mesure (64), et
- lorsque le signal d’entrée (le) est représentatif d’un courant et le signal de commande (Vs) est représentatif d’une tension, le composant de mesure (64) est un composant de mesure de courant et le générateur (66) est un générateur de tension, le composant passif analogique (62) étant connecté en série avec le générateur (66) et le composant de mesure (64) entre l’entrée (42) et la sortie (44).
6. Dispositif (40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel :
- lorsque le signal d’entrée (Vc) est représentatif d’une tension et le signal de commande (Is ) est représentatif d’un courant, la modélisation (Scr) est une modélisation du contrôleur numérique (Sc) connecté en série du composant passif numérique, et
- lorsque le signal d’entrée (le) est représentatif d’un courant et le signal de commande (Vs) est représentatif d’une tension, la modélisation (Scr) est une modélisation du contrôleur numérique (Sc) connecté en parallèle du composant passif numérique.
7. Dispositif (40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le composant commandable (70) est configuré pour :
- convertir le signal d’entrée converti (SE C) en provenance du convertisseur analogique-numérique (48) en un premier signal intermédiaire (Smti) fonction de la deuxième impédance caractéristique (r) et représentatif d’une onde de puissance,
- convertir le premier signal intermédiaire (Smti) en un deuxième signal intermédiaire (Smt2) fonction de la deuxième impédance caractéristique (r) et représentatif d’une tension, respectivement d’un courant,
- calculer un troisième signal intermédiaire (Smt3) en fonction du deuxième signal intermédiaire (Smt2) et de la modélisation (Scr),
- convertir le troisième signal intermédiaire (Sina) en un quatrième signal intermédiaire (Sinw) fonction de la deuxième impédance caractéristique (r) et représentatif d’une onde de puissance, et
- convertir le quatrième signal intermédiaire (Smt4) en le signal de sortie numérique (Ss num) du composant commandable (70) en fonction de la deuxième impédance caractéristique (r), le quatrième signal (Smt4) intermédiaire étant représentatif d’une tension, respectivement d’un courant.
8. Dispositif (40) selon la revendication 7, dans lequel le composant commandable 70 est choisi dans la liste constituée de : un microprocesseur, un processeur de signal numérique, un micro-contrôleur et un réseau de portes programmables.
9. Système audio, tel qu’un haut-parleur, comprenant un dispositif (40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Procédé de génération d’un signal de commande (Is ; Vs) d’un système électrique (S) à partir d’un dispositif de génération (40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, le procédé comprenant : - la réception d’un signal d’entrée (Vc ; le) en provenance du système électrique (S) en entrée (42) du dispositif de génération (40), le signal d’entrée (Vc ; le) étant un signal analogique représentatif d’une tension, respectivement d’un courant,
- la conversion en numérique d’une mesure du signal d’entrée (Vc ; le) effectuée par le composant de mesure (64) du bloc analogique (46) pour obtenir un signal d’entrée converti (SE C),
- la génération d’un signal de sortie numérique (Ss num) par le composant commandable (70) du bloc numérique (50),
- la conversion en analogique du signal de sortie numérique (Ss num) pour obtenir une commande du générateur (66) du circuit électrique (60), - la génération de la première composante du signal de commande (Is ; Vs) par le composant passif analogique (62) du circuit électrique (60),
- la génération de la deuxième composante du signal de commande (Is ; Vs) par le générateur (66) du circuit électrique (60) en fonction de la commande obtenue à partir du bloc numérique (50), et - la somme de la première composante et de la deuxième composante générées par le circuit électrique (60) pour obtenir le signal de commande (Is ; Vs).
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