FR2718857A1 - Procédé et système de stabilisation d'un organe mobile asservi porté par un châssis insuffisamment rigide. - Google Patents
Procédé et système de stabilisation d'un organe mobile asservi porté par un châssis insuffisamment rigide. Download PDFInfo
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Abstract
L'invention concerne un procédé et un système de stabilisation d'un organe mobile asservi porté par une structure insuffisamment rigide reposant sur un système de suspension. Une commande d'anticipation mesure les mouvements angulaires du châssis et délivre des signaux de correction à l'organe asservi, cette commande comprenant un filtre (F) du second ordre procurant une atténuation, un déphasage et un amortissement tels que l'on compense les effets dus à une structure insuffisamment rigide, sans dégrader les performances de la stabilisation au niveau de la compensation des effets du système de suspension. L'invention s'applique notamment à la stabilisation d'une tourelle d'un engin blindé.
Description
PROCEDE ET SYSTEKE DE STABILISATION D'UN ORGANE MOBILE
ASSERVI PORTE PAR UN CHASSIS INSUFFISAMKKNT FRIGIDE
La présente invention concerne un procédé de stabilisation d'un organe mobile asservi porté par un châssis insuffisamment rigide, ce châssis comprenant une structure reposant sur un système de suspension, pour que cet organe conserve, malgré des mouvements angulaires du châssis, une orientation angulaire constante relativement à une consigne opérateur, ce procédé étant du type consistant à prévoir une commande dite d'anticipation comprenant un capteur pour mesurer les mouvements angulaires du châssis par rapport à l'orientation angulaire à stabiliser et une électronique de traitement pour traiter le signal délivré par le capteur et transmettre un signal à l'organe asservi, ce signal étant de signe opposé à celui résultant du traitement du signal délivré par le capteur.
ASSERVI PORTE PAR UN CHASSIS INSUFFISAMKKNT FRIGIDE
La présente invention concerne un procédé de stabilisation d'un organe mobile asservi porté par un châssis insuffisamment rigide, ce châssis comprenant une structure reposant sur un système de suspension, pour que cet organe conserve, malgré des mouvements angulaires du châssis, une orientation angulaire constante relativement à une consigne opérateur, ce procédé étant du type consistant à prévoir une commande dite d'anticipation comprenant un capteur pour mesurer les mouvements angulaires du châssis par rapport à l'orientation angulaire à stabiliser et une électronique de traitement pour traiter le signal délivré par le capteur et transmettre un signal à l'organe asservi, ce signal étant de signe opposé à celui résultant du traitement du signal délivré par le capteur.
Le domaine d'application de l'invention est notamment celui concernant la stabilisation d'une tourelle d'un engin blindé par exemple, mais ce domaine d'application peut être étendu plus généralement à la stabilisation d'un bras d'un robot.
Dans le cas d'un engin blindé, la tourelle est montée pivotante sur une structure reliée aux roues ou aux chenilles de l'engin par un système de suspension.
Dans tout ce qui suit, on considèrera que le châssis est constitué de la structure qui porte la tourelle et du système de suspension.
La tourelle de l'engin blindé est orientable suivant deux axes correspondant à un pointage en site et en gisement, et l'orientation de la tourelle est obtenue à partir d'un système d'asservissement en site et un système d'asservissement en gisement. Chaque système comprend un actionneur qui transmet les mouvements à la tourelle, des capteurs de mesure de ces mouvements et une électronique de traitement qui analyse les signaux délivrés par les capteurs et transmet des signaux de commande à l'actionneur pour que la tourelle tende à s'orienter suivant une consigne donnée par un opérateur.
D'une façon connue en soi, la fonction de transfert d'un châssis d'un engin blindé peut être approchée par
- une série de filtres du deuxième ordre dits de suspension du châssis et correspondant aux différents modes propres du système de suspension, et
- une série de filtres du deuxième ordre dits de structure et correspondant aux différents modes propres de la structure du châssis.
- une série de filtres du deuxième ordre dits de suspension du châssis et correspondant aux différents modes propres du système de suspension, et
- une série de filtres du deuxième ordre dits de structure et correspondant aux différents modes propres de la structure du châssis.
D'une manière générale, la stabilisation d'un organe asservi porté par une structure qui repose sur un système de suspension, vise à compenser les effets des modes propres du système de suspension au niveau de l'organe asservi, sans être perturbée par les effets des modes propres de la structure qui porte l'organe asservi, c'est-à-dire que la stabilisation ne vise pas à compenser les effets des modes propres de la structure.
Un dénominateur commun aux différents systèmes connus de stabilisation de la tourelle est la présence d'une commande dite d'anticipation qui complète les systèmes d'asservissement de la tourelle.
Cette commande d'anticipation comprend
- un capteur d'anticipation qui mesure les mouvements angulaires du châssis dans l'orientation angulaire de la tourelle à stabiliser (site ou gisement), et
- une électronique de traitement du signal délivré par le capteur.
- un capteur d'anticipation qui mesure les mouvements angulaires du châssis dans l'orientation angulaire de la tourelle à stabiliser (site ou gisement), et
- une électronique de traitement du signal délivré par le capteur.
Concrètement, le signal issu du capteur est ensuite transmis, avec un signe opposé, à la tourelle asservie, ce qui se traduit par une orientation angulaire de la tourelle constante relativement à la consigne opérateur.
La commande d'anticipation est généralement considérée comme une commande en boucle ouverte.
Cependant, l'expérience montre que lorsque l'opérateur applique une consigne, celle-ci est transmise à la tourelle par l'intermédiaire de l'actionneur qui s'appuie sur la structure de l'engin pour transmettre le mouvement à la tourelle. Cela correspond donc à l'application du principe action/réaction au niveau du couple transmis, ce qui se traduit par une déformation de la structure du châssis qui est exprimée par l'équation (1) suivante
déformation 1/Kc
couple réaction 1 + (P/oS1) 2 où Kc est la raideur de la structure supportant la tourelle, a l'opérateur de Laplace, et oS1 la pulsation ou fréquence du premier mode propre de la structure du châssis, fréquence où la structure entre en résonance et est soumise à des vibrations.
déformation 1/Kc
couple réaction 1 + (P/oS1) 2 où Kc est la raideur de la structure supportant la tourelle, a l'opérateur de Laplace, et oS1 la pulsation ou fréquence du premier mode propre de la structure du châssis, fréquence où la structure entre en résonance et est soumise à des vibrations.
Cette déformation de la structure du châssis de l'engin est également détectée par le capteur d'anticipation, et on a alors un bouclage qui peut se traduire par
- un risque d'accrochage sur au moins la pulsation du premier mode propre de la structure (OS1)I c'est-à-dire une vibration auto-entretenue de la structure du châssis par l'effet du bouclage, et
- un risque de broutage lors de suivi d'une consigne opérateur non nulle, c'est-à-dire une excitation incontrôlée sur au moins la pulsation du premier mode propre de la tourelle.
- un risque d'accrochage sur au moins la pulsation du premier mode propre de la structure (OS1)I c'est-à-dire une vibration auto-entretenue de la structure du châssis par l'effet du bouclage, et
- un risque de broutage lors de suivi d'une consigne opérateur non nulle, c'est-à-dire une excitation incontrôlée sur au moins la pulsation du premier mode propre de la tourelle.
Concrètement, de nombreux paramètres interviennent dans ce bouclage d'anticipation, tel que par exemple
- la sensibilité du capteur d'anticipation,
- la rigidité de la structure du châssis, l'équation (1) précitée montrant que cette rigidité intervient comme un gain dans cette commande d'anticipation,
- les jeux mécaniques de la transmission de mouvement à la tourelle, ...
- la sensibilité du capteur d'anticipation,
- la rigidité de la structure du châssis, l'équation (1) précitée montrant que cette rigidité intervient comme un gain dans cette commande d'anticipation,
- les jeux mécaniques de la transmission de mouvement à la tourelle, ...
Finalement, on s'est rendu compte par amalgame, à cause de l'influence directe de la raideur Kc de la structure du châssis, qu'il suffisait de rigidifier cette structure pour supprimer les risques d'accrochage sur les modes propres de la structure du châssis.
Dans ces conditions, si une rigidification de la structure du châssis permet d'éviter les risques d'accrochage sur les modes propres de la structure, une telle solution n'est pas toujours facile à mettre en oeuvre pour des contraintes de masse ou d'encombrement.
Une autre solution consiste à introduire un filtre du type réjecteur ou filtre coupe-bande à bande étroite dont la fréquence ou pulsation de coupure est calée sur celle du premier mode propre de la structure du châssis, ce filtre étant intégré dans l'électronique de traitement d'anticipation.
Concrètement, cette autre solution ne traite que du risque d'accrochage sur le premier mode propre mécanique de la structure et, ne traitant que ce seul mode propre, il peut s'avérer nécessaire de multiplier cette solution pour chacun des modes propres gênants de cette structure. En outre, cette autre solution ne permet pas d'éliminer le risque de broutage, c'est-à-dire une excitation incontrôlée du premier mode propre de la tourelle, et elle peut également générer des erreurs de phase et de gain dans le domaine des fréquences des modes propres du système de suspension, erreurs qui sont incompatibles avec les performances demandées.
Le but de l'invention est de perfectionner un système de stabilisation du type précité en apportant une solution simple aux problèmes posés à la fois par le risque d'accrochage sur au moins le premier mode propre de la structure du châssis, et par le risque de broutage, lors du suivi d'une consigne opérateur non nulle, c'està-dire une excitation incontrôlée sur au moins la pulsation du premier mode propre de la tourelle, et sans dégrader les performances du système de stabilisation dans le domaine des fréquences des modes propres du système de suspension.
A cet effet, l'invention propose un procédé de stabilisation d'un organe mobile asservi porté par un châssis insuffisamment rigide, ce procédé du type précité étant caractérisé en ce qu'il consiste à intégrer dans la commande d'anticipation un filtre du second ordre de manière à procurer
- une atténuation du gain de la commande d'anticipation à la pulsation de coupure proche de celle correspondant au moins au premier mode propre de la structure du châssis,
- un déphasage à la pulsation de coupure proche de celle correspondant au moins au premier mode propre de l'organe mobile asservi, et
- un faible coefficient amortissement permettant d'éviter une dégradation du système de stabilisation dans les zones des pulsations de coupure du système de suspension.
- une atténuation du gain de la commande d'anticipation à la pulsation de coupure proche de celle correspondant au moins au premier mode propre de la structure du châssis,
- un déphasage à la pulsation de coupure proche de celle correspondant au moins au premier mode propre de l'organe mobile asservi, et
- un faible coefficient amortissement permettant d'éviter une dégradation du système de stabilisation dans les zones des pulsations de coupure du système de suspension.
L'invention concerne également un système de stabilisation pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini précédemment.
Ce système de stabilisation est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un filtre du second ordre monté dans l'électronique de traitement de la commande d'anticipation, ce filtre ayant une pulsation de coupure (oF) voisine de celle du premier mode propre de l'organe mobile asservi, un coefficient d'atténuation r tel que
où OS1 est la fréquence de coupure du premier mode propre de la structure du châssis, ce filtre apportant un déphasage important de l'ordre de - 180 à la pulsation de coupure voisine de celle du premier mode propre de l'organe mobile asservi, et ayant un faible coefficient d'amortissement pour limiter les erreurs de gain et de phase apportés par le filtre dans les zones des pulsations de coupure du système de suspension.
où OS1 est la fréquence de coupure du premier mode propre de la structure du châssis, ce filtre apportant un déphasage important de l'ordre de - 180 à la pulsation de coupure voisine de celle du premier mode propre de l'organe mobile asservi, et ayant un faible coefficient d'amortissement pour limiter les erreurs de gain et de phase apportés par le filtre dans les zones des pulsations de coupure du système de suspension.
Selon un avantage important de l'invention, le procédé de stabilisation et le système de mise en oeuvre de ce procédé, permettent de pallier les phénomènes parasites d'un châssis insuffisamment rigide sans qu'il soit nécessaire de renforcer la structure de ce châssis par une augmentation de sa masse.
D'autres avantages, caractéristiques et détails de l'invention ressortiront à l'aide de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels
- la figure 1 représente schématiquement un système d'asservissement d'un organe mobile,
- la figure 2 représente schématiquement un engin mobile tel qu'une tourelle montée sur un engin blindé,
- la figure 3 représente schématiquement une commande d'anticipation associée au système d'asservissement de la figure 1,
- la figure 4 représente la structure du filtre du second ordre intégré dans la commande d'anticipation, et
- les figures 5 et 6 représentent graphiquement les caractéristiques de gain et de phase du filtre de la figure 4, respectivement.
- la figure 1 représente schématiquement un système d'asservissement d'un organe mobile,
- la figure 2 représente schématiquement un engin mobile tel qu'une tourelle montée sur un engin blindé,
- la figure 3 représente schématiquement une commande d'anticipation associée au système d'asservissement de la figure 1,
- la figure 4 représente la structure du filtre du second ordre intégré dans la commande d'anticipation, et
- les figures 5 et 6 représentent graphiquement les caractéristiques de gain et de phase du filtre de la figure 4, respectivement.
En prenant l'exemple d'une tourelle montée sur un engin blindé, la tourelle est orientable suivant un premier axe défini par un angle de gisement d'une part, et suivant un second axe défini par un angle de site d'autre part.
Pour chacun de ces deux axes d'orientation et en se reportant à la figure 1, il est prévu un système d'asservissement en site et un système d'asservissement en gisement. Chacun de ces systèmes 10 comprend, d'une façon connue en soi, un actionneur Al associé à des éléments mécaniques de transmission de mouvements jusqu'à la tourelle T, différents capteurs C1 de vitesse, d'accélération et de positionnement de la tourelle T par exemple, et une électronique El de commande et d'asservissement pour traiter les signaux délivrés par les capteurs C1 pour commander l'actionneur Al afin que la tourelle T tende vers une position correspondant à une valeur de consigne VC donnée par un opérateur.
D'une manière générale et en se reportant à la figure 2, la tourelle T est portée par une structure S1 montée sur un système de suspens ion S2 qui supporte des roues R ou des chenilles. L'ensemble structure S1 et système de suspension S2 forme un châssis 15 d'un engin motorisé équipé d'un groupe motopropulseur.
D'une façon connue en soi, la stabilisation de la tourelle T est assurée par une commande d'anticipation 20 qui complète les sytèmes d'asservissement 10 précités (figure 1), cette boucle comprenant
- un capteur d'anticipation C2 qui est destiné à mesurer les mouvements angulaires du châssis 15 dans l'orientation angulaire de la tourelle T à stabiliser, et
- une électronique de traitement E2 du signal délivré par le capteur C2, le signal issu du traitement étant ensuite transmis, avec un signe opposé, à l'asservissement 10 en site ou en gisement.
- un capteur d'anticipation C2 qui est destiné à mesurer les mouvements angulaires du châssis 15 dans l'orientation angulaire de la tourelle T à stabiliser, et
- une électronique de traitement E2 du signal délivré par le capteur C2, le signal issu du traitement étant ensuite transmis, avec un signe opposé, à l'asservissement 10 en site ou en gisement.
Un tel système de stabilisation de la tourelle T ne permettant pas, pour les raisons explicitées en préambule, de prévenir à la fois les risques d'accrochage sur au moins le premier mode propre de la structure S1 du châssis 15 et les risques de broutage sur au moins le premier mode propre de la tourelle T, le procédé de stabilisation selon l'invention consiste à intégrer dans la commande d'anticipation 20 un filtre F du second ordre de manière à procurer
- une atténuation du gain de la commande d'anticipation à la pulsation de coupure proche de celle correspondant au moins au premier mode propre de la structure S1 du châssis 15,
- un déphasage à la pulsation de coupure proche de celle correspondant au moins au premier mode propre de l'organe mobile asservi T, et
- un faible coefficient amortissement permettant d'éviter une dégradation du système de stabilisation dans les zones des pulsations de coupure du système de suspension S2.
- une atténuation du gain de la commande d'anticipation à la pulsation de coupure proche de celle correspondant au moins au premier mode propre de la structure S1 du châssis 15,
- un déphasage à la pulsation de coupure proche de celle correspondant au moins au premier mode propre de l'organe mobile asservi T, et
- un faible coefficient amortissement permettant d'éviter une dégradation du système de stabilisation dans les zones des pulsations de coupure du système de suspension S2.
Pour mettre en oeuvre ce procédé, l'invention prévoit d'inclure dans l'électronique de traitement E2 du signal délivré par le capteur d'anticipation C2, au moins un filtre F du deuxième ordre qui présente les caractéristiques suivantes
- une pulsation de coupure qui soit proche de celle du premier mode propre oT1 de la tourelle T,
- une atténuation du gain de la commande d'anticipation dans un rapport r = (sl/Tl)2 pour diminuer le risque d'accrochage précité, ce qui est équivalent à un renforcement de la rigidité de la structure S1 du châssis 15 dans ce même rapport r,
- un déphasage de l'ordre de - 180 à la pulsation du premier mode propre de la tourelle T, et résistance R1 et un condensateur de couplage C1 relié à la masse,
- une résistance R2 montée en série avec la résistance R1 et reliée à la borne d'entrée (-) de l'amplificateur OP,
- un condensateur C2 monté entre la borne d'entrée (-) et la borne de sortie de l'amplificateur OP,
- une résistance de contre-réaction R3 montée entre les résistances R1, R2 et la borne de sortie de l'amplificateur OP, et
- une résistance R4 qui relie la borne d'entrée (+) de l'amplificateur OP à la masse.
- une pulsation de coupure qui soit proche de celle du premier mode propre oT1 de la tourelle T,
- une atténuation du gain de la commande d'anticipation dans un rapport r = (sl/Tl)2 pour diminuer le risque d'accrochage précité, ce qui est équivalent à un renforcement de la rigidité de la structure S1 du châssis 15 dans ce même rapport r,
- un déphasage de l'ordre de - 180 à la pulsation du premier mode propre de la tourelle T, et résistance R1 et un condensateur de couplage C1 relié à la masse,
- une résistance R2 montée en série avec la résistance R1 et reliée à la borne d'entrée (-) de l'amplificateur OP,
- un condensateur C2 monté entre la borne d'entrée (-) et la borne de sortie de l'amplificateur OP,
- une résistance de contre-réaction R3 montée entre les résistances R1, R2 et la borne de sortie de l'amplificateur OP, et
- une résistance R4 qui relie la borne d'entrée (+) de l'amplificateur OP à la masse.
D'une manière générale, la fréquence de coupure oF du filtre F est réglée au voisinage de la pulsation de coupure wT1 du premier mode propre de la tourelle T, c'est-à-dire que
de sorte que le filtre F présente un coefficient d'atténuation r tel que :
osl étant la pulsation de coupure du premier mode propre de la structure S1 du châssis 15.
de sorte que le filtre F présente un coefficient d'atténuation r tel que :
osl étant la pulsation de coupure du premier mode propre de la structure S1 du châssis 15.
Ce coefficient d'atténuation L permet de diminuer notablement un risque d'accrochage sur le premier mode propre de la structure S1 du châssis 15.
Le filtre F1 apporte également un déphasage de l'ordre de - 1800 à la pulsation de coupure du premier mode propre de la tourelle T, pour élminier un risque de broutage susceptible d'entraîner une excitation incontrôlée du premier mode propre de la tourelle T, lors du suivi d'une consigne opérateur non nulle.
En outre, le filtre F présente un coefficient d'amortissement a tel que
mode propre de la tourelle T, pour élminier un risque de broutage susceptible d'entraîner une excitation incontrôlée du premier mode propre de la tourelle T, lors du suivi d'une consigne opérateur non nulle.
mode propre de la tourelle T, pour élminier un risque de broutage susceptible d'entraîner une excitation incontrôlée du premier mode propre de la tourelle T, lors du suivi d'une consigne opérateur non nulle.
En outre, le filtre F présente un coefficient d'amortissement a tel que
ce qui permet de compenser notablement les erreurs de gain et de phase produites par le filtre F dans le domaine des pulsations de coupure des modes propres du système de suspension S2 du châssis 15, ce coefficient a pouvant avoir une valeur nettement inférieure à 0,7.
ce qui permet de compenser notablement les erreurs de gain et de phase produites par le filtre F dans le domaine des pulsations de coupure des modes propres du système de suspension S2 du châssis 15, ce coefficient a pouvant avoir une valeur nettement inférieure à 0,7.
Les caractéristiques de gain et de phase de ce filtre F sont illustrées aux figures 5 et 6, respectivement.
Sur la figure 5, on notera principalement le coefficient d'atténuation du filtre F dans le rapport r dans la zone Z3 correspondant à la zone de résonance de la structure S1 du châssis 15, la zone Z1 correspondant à la zone de résonance du système de suspension S2 du châssis 15, et la zone Z2 correspondant à la zone de résonance du premier mode propre de la tourelle T. Sur la figure 6, on notera principalement le déphasage de l'ordre de - 180 (courbe D2 par rapport à la courbe D1) apporté par le filtre F dans la zone Z2 de résonance du premier mode propre de la tourelle T.
Claims (5)
1. Procédé de stabilisation d'un organe mobile asservi porté par un châssis insuffisamment rigide reposant un système de suspension, pour que cet organe conserve, malgré les mouvements angulaires du châssis, une orientation angulaire constante relativement à une consigne opérateur, ce procédé étant du type consistant à prévoir une commande dite d'anticipation comprenant un capteur pour mesurer les mouvements angulaires du châssis par rapport à l'orientation angulaire à stabiliser et une électronique de traitement pour traiter le signal délivré par le capteur et transmettre un signal à l'organe asservi, ce signal étant de signe opposé à celui résultant du traitement du signal délivré par le capteur, procédé qui est caractérisé en ce qu'il consiste à intégrer dans la commande d'anticipation un filtre du second ordre de manière à procurer
- une atténuation du gain de la commande d'anticipation à la pulsation de coupure proche de celle correspondant au moins au premier mode propre de la structure du châssis,
- un déphasage à la pulsation de coupure proche de celle correspondant au moins au premier mode propre de l'organe mobile asservi, et
- un faible coefficient amortissement permettant d'éviter une dégradation du système de stabilisation dans les zones des pulsations de coupure du système de suspension.
2. Système de stabilisation pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre (F) du second ordre monté dans l'électronique de traitement (E2) de la commande d'anticipation, ce filtre (F) ayant une pulsation de coupure (oF) voisine de celle du premier mode propre de l'organe mobile (T), un coefficient d'atténuation (r) tel que
où osl est la fréquence de coupure du premier mode propre de la structure (S1) du châssis (15), ce filtre (F) apportant un déphasage important de l'ordre de - 1800 à la pulsation de coupure voisine de celle du premier mode propre de l'organe mobile asservi (T), et ayant un faible coefficient d'amortissement pour limiter les erreurs de gain et de phase apportés par le filtre (F) dans les zones des pulsations de coupure du système de suspension (S2).
3. Système de stabilisation selon la revendication 2, caractérisé en ce que le filtre (F) est constitué
- d'un amplificateur opérationnel (OP) ayant deux bornes d'entrée et une borne de sortie,
- d'un circuit d'entrée comprenant une résistance (R1) et un condensateur (C1) relié à la masse,
- d'une résistance (R2) montée en série avec la résistance (R1) et reliée à la borne d'entrée (-) de l'amplificateur (OP),
- d'un condensateur (C2) monté entre la borne d'entrée (-) et la borne de sortie de l'amplificateur (OP),
- d'une résistance de contre-réaction (R3) montée entre les résistances (R1, R2) et la borne de sortie de l'amplificateur (OP), et
- d'une résistance (R4) montée entre la borne d'entrée (+) de l'amplificateur (OP) et la masse.
4. Système de stabilisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fréquence de coupure du filtre (F) est égale à
pour R=R1=R2=R3.
5. Système de stabilisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le coefficient
5. Système de stabilisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le coefficient d'amortissement (a) est égal à
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| FR2718857A1 true FR2718857A1 (fr) | 1995-10-20 |
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- 1994-04-15 FR FR9404529A patent/FR2718857B1/fr not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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| FR2718857B1 (fr) | 1996-08-14 |
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