WO2020229058A1 - Procede de parametrage d'un filtre numerique pour l'attenuation d'une frequence associee a un mode de torsion d'une ligne de transmission de puissance d'un turbomoteur - Google Patents

Procede de parametrage d'un filtre numerique pour l'attenuation d'une frequence associee a un mode de torsion d'une ligne de transmission de puissance d'un turbomoteur Download PDF

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gain
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Typhaine RASLAIN
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Definitions

  • the present invention belongs to the field of aircraft turbine engines, such as airplanes or helicopters. It relates more particularly to a method of parameterizing a digital filter model for the attenuation of a torsion mode of a power transmission line of an aircraft turbine engine.
  • the invention finds a particularly advantageous application, although in no way limiting, in the case of a turbine engine comprising non-ttled propulsion means.
  • Turbine engines make it possible to develop the power necessary for aircraft flights, the mass of which most often reaches several tens of tonnes.
  • Turboshaft engines are available in different versions (gas turbines, turbojets, turboprop engines, etc.) all governed by the same operating principle, namely the conversion of kinetic and thermal energy, resulting from gas production (typically by combustion of a hydrocarbon), into mechanical energy intended to set at least one shaft coupled to propulsion means, such as a rotor provided with propellers, for example.
  • propulsion means such as a rotor provided with propellers, for example.
  • a turbine engine comprises a gas generator and a turbine, of the linked or free type, positioned downstream of the gas generator, with reference to the direction of flow of the gases in the turbine engine.
  • This turbine is driven in rotation by the flow of gas generated, so as to set a transmission line (also called a “power transmission line”) in rotation.
  • the transmission line comprises, in a known manner, at least one shaft directly coupled to the turbine, also called a “turbine shaft”, as well as at least one output shaft coupled to the propulsion means.
  • a Planetary type speed reducer connects the turbine shaft to the output shaft, in order to reduce the speed of rotation of the propulsion means.
  • the loop takes measurements of said parameter, and compares these measurements with a setpoint. Any deviation between the measurements and the setpoint is transmitted to a control device capable of generating a control signal which is transmitted to the turbine engine in order to compensate for said deviation, the control process then being iterated along said loop.
  • the control signal generated by the control device thus impacts the operation of the turbomachine, which notably includes the assembly formed by the turbine, the transmission line and the propulsion means.
  • this assembly is characterized in particular, like any mechanical system, by a certain stiffness - here in rotation - which for sizing constraints may not be sufficient with regard to the highly inertial elements which are found at its ends.
  • This problem is further aggravated by increasing the length of the transmission line or by increasing the number of its components, via the introduction of a reduction gear for example.
  • the transmission line then presents a torsion mode, the frequency of which is typically positioned outside, but nevertheless relatively close, of the bandwidth of use of the transmission line.
  • a turbine engine design of a turbine engine.
  • the sizing of a turbine engine aims to define global production constraints, that is to say which are imposed on the turbine engine when it is considered in its entirety (or even ideally when the environment in which it is intended for integration is taken into account).
  • constraints concern, for example, mass, cost, size, modes of operation and use, etc.
  • a turbine engine is a complex architectural system, in the sense that it is manufactured by means of a large quantity of parts, so that it is at the same time difficult to decline all these high level constraints for each of said different parts. and to anticipate, before carrying out them, the behavior of the final machine.
  • the present invention aims to remedy all or part of the
  • the invention relates to a method of setting a digital filter for the attenuation of a torsion mode of a power transmission line of a turboshaft engine. aircraft, said mode being associated with a frequency F_T included in a confidence interval le, the digital filter being of the low-pass type and:
  • N and D are polynomial functions, N being of degree strictly greater than 1,
  • said method is implemented by a setting device and comprises:
  • the gain of the filter satisfies a second predetermined gain template as a function of the value V.
  • the step of calculating the zeros of N (z) makes it possible to initiate the parameterization of the filter by precisely targeting the frequency F_T to be attenuated. At this stage, the frequency behavior of the filter phase is not taken into account.
  • this step makes it possible to take into account the uncertainty associated with the value of the frequency F_T, and therefore to make the final attenuation sought for the digital filter more robust with respect to this uncertainty.
  • the behavior of the gain of the filter is itself substantially stopped, and is likely to vary only marginally during the subsequent step of determining the poles of D (z). More precisely, the fact that the modulus of the gain decreases, in absolute value and in the interval le, during the updating step is countered by the fact that the latter increases again during the updating step. determination of the poles of D (z).
  • the step of determining the poles of D (z) aims to place the poles of D (z) so as to control the evolution of the phase of the filter on the passband of the loop, which allows in fine, to control the phase of the filter over the entire frequency spectrum envisaged (zones A, B and C).
  • the gain of the filter in the passband of the loop helps to ensure that the useful information contained in the control signals can continue to flow to the actuators of the turbine engine.
  • the invention makes it possible to integrate at the output of the closed loop control device a digital filter configured to attenuate the torsion mode associated with the power line, without physically resizing the turbine engine, as well as without modifying the logic of pre-existing regulation (i.e. ie the operation of a control system operating according to said pre-existing closed loop).
  • the digital filter obtained by the parameter setting process only supplements the pre-existing regulation logic.
  • Such a decoupling is advantageous because it makes it possible to obtain a linear filter
  • the parameterization method may further include one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination.
  • the step of updating the zeros of N (z) comprises a sub-step of reducing the respective moduli of the zeros according to a predetermined step, the sub-step of reduction being executed iteratively until the first amplitude template is satisfied.
  • the poles of D (z) are identical to each other.
  • the pole determination step comprising: - a sub-step of selecting a pole strictly between -1 and 1,
  • said translation sub-step being executed iteratively as long as the phase template and the second gain template are not satisfied, the pole selected during an iteration corresponding to the translated pole obtained during the previous iteration.
  • determining the poles of D (z) advantageously makes it possible to control the evolution of the phase of the filter over the passband of the loop, which ultimately makes it possible to control the phase of the filter over the entire frequency spectrum .
  • the fact of also constraining the gain of the filter and thus normalizing it in the passband of the loop ensures that the useful information contained in the control signals can continue to be obtained.
  • the first gain template corresponds to an increase, in the confidence interval le, of the value of the gain by the opposite of the amplitude of the torsion mode.
  • phase template In particular modes of implementation, the phase template
  • the degree of N (z) is equal to 2, so as to obtain, during the calculation step, zeros z_1 and z_2 according to the following formulation:
  • N (z) is of degree equal to 2 makes it possible to limit the complexity of the filter, as well as to precisely target the frequency F_T to be attenuated.
  • the degree of D (z) is equal to 3.
  • D (z) is of a degree equal to 3 advantageously makes it possible to limit the complexity of the filter, while making it possible to have a strictly clean filter.
  • the confidence interval are determined beforehand during a test bench test campaign of the oscillatory behavior of the line of
  • said method comprises, following the step of determining real numbers forming poles of D (z), a step of validating the temporal behavior of the digital filter, said validation step consisting in verifying that the temporal response of the filter to a step signal is increasing monotonously.
  • the invention relates to a control system
  • control loop comprises a digital filter parameterized by means of a method according to the invention, said digital filter being integrated into said loop so as to filter the control signals.
  • the invention relates to a computer program comprising a set of program code instructions which, when they are executed by a processor, configure said processor to implement a parameterization method according to invention.
  • the invention relates to a recording medium readable by a computer on which is recorded a computer program according to the invention.
  • the invention relates to a device for parameterizing a digital filter, said filter being intended to attenuate a torsion mode of a power transmission line of an aircraft turbine engine, said mode being associated with a frequency F_T included in a confidence interval le, the digital filter being of low-pass type and:
  • N and D are polynomial functions, N being of degree strictly greater than 1,
  • said device comprising:
  • a calculation module configured to calculate, as a function of the frequencies F_T and F_E, complex numbers forming zeros of N (z), so that the filter attenuates the frequency F_T,
  • an update module configured to update the zeros of N (z), so that the gain of the filter satisfies, in the confidence interval le, a first predetermined gain mask as a function of the amplitude of the torsion mode,
  • a determination module configured to determine real numbers forming poles of D (z), so that, in the bandwidth of the loop:
  • the gain of the filter satisfies a second predetermined gain template as a function of the value V.
  • the invention relates to an aircraft comprising a
  • said turbine engine comprising a power transmission line exhibiting a torsion mode associated with a frequency F_T within a confidence interval le.
  • said aircraft comprises a control system according to the invention.
  • FIG. 1 schematically represents an embodiment of a system, called a power transmission system, of an aircraft turbine engine
  • FIG. 2 schematically represents an example, known to those skilled in the art, of operation, in nominal mode, of a control system of a turbine engine;
  • FIG. 3 schematically represents the gain of the transfer function associated with the closed control loop according to which the control system of FIG. 2 is configured;
  • FIG. 4 represents a flowchart of an embodiment of a method for parameterizing a digital filter according to the invention, said method making it possible to attenuate a mode of torsion of a power line of a turbine engine
  • FIG. 5 schematically represents a preferred mode of implementation, according to the invention, of the parameterization method of FIG. 4, in which said method comprises a step of validating the temporal behavior of the digital filter;
  • FIG. 6A represents the change in the gain of the digital filter obtained, during the parameterization process according to the invention, after a step of calculating the zeros of said filter;
  • FIG. 6B represents the evolution of the phase of the digital filter obtained, during the parameterization process according to the invention, after a step of calculating the zeros of said filter;
  • FIG. 7A represents the evolution of the gain of the digital filter obtained, during the parameterization process according to the invention, after a step of updating the zeros of said filter;
  • FIG. 7B represents the evolution of the phase of the digital filter obtained, during the parameterization process according to the invention, after a step of updating the zeros of said filter;
  • FIG. 8A represents the evolution of the gain of the digital filter obtained, during the parameterization process according to the invention, after a step of
  • FIG. 8B represents the evolution of the phase of the digital filter obtained, during the parameterization method according to the invention, after a step of determining the poles of said filter; Description of embodiments
  • the present invention finds its place in the field of turbine engines for aircraft, and more particularly in the field of the damping of one or more mechanical elements forming part of a turbine engine.
  • the concept of damping corresponds to the fact of seeking a damping of oscillations evolving at a frequency
  • Figure 1 shows schematically an embodiment of a
  • the power transmission system 10 may also include other elements than those shown in Figure 1, but which nevertheless fall outside the scope of the present invention.
  • power transmission comprises a gas generator 11.
  • This generator 11 typically corresponds to a combustion chamber in which hydrocarbons are ignited to generate gases at high temperature as well as at high speed. The gases generated are then conveyed to a so-called power turbine 12, which is thus set in motion.
  • a power turbine 12 may be designated by the expression "free turbine” by those skilled in the art in certain engine architectures.
  • a turbine shaft is coupled, at its respective ends, to the power turbine 12, as well as to a speed reducer 13 of the epicyclic type.
  • Another shaft, called the output shaft, and opposite the turbine shaft by relative to the speed reducer 13, for its part extends between the speed reducer 13 and propulsion means 14 of the aircraft.
  • the turbine shaft is therefore rotated by the power turbine 12.
  • the speed reducer 13 allows for its part to rotate the output shaft at a reduced speed relative to that of the shaft. turbine.
  • the propulsion means 14 are in turn driven by the output shaft.
  • a turbine engine 1 of the turboprop type for an airplane This is therefore a turbine engine 1, the main thrust of which is obtained by the rotation of at least one propeller comprising a plurality of blades.
  • the propulsion means 14 comprise two non-ducted contra-rotating propellers, which makes it possible in particular to improve the
  • turbojet turbojet
  • the invention is in fact applicable to any type of turbine engine whose operation is to be controlled so that the transmission line is not excited according to a torsion mode that is specific to it.
  • a torsion mode that is specific to it.
  • another type of turbine downstream of the gas generator such as for example a linked turbine of a type known per se, as well as an aircraft of another type, such as for example a helicopter.
  • the operation of the turbine engine 1 is conventionally controlled by a control system 20 on board the aircraft.
  • FIG. 2 schematically represents an example, known to those skilled in the art, of operation, in nominal mode, of the control system 20 of the turbine engine 1. Such a figure is also designated by the expression "block diagram d 'enslavement'.
  • nominal mode we refer here to the mode in which the control system 20 acts on the turbine engine 1 when the latter is subjected to constraints which may affect its operation, but which have nevertheless been taken into account in the design of turbine engine 1 before dynamic response tests of the transmission line are performed.
  • control system 20 comprises at the input means 21 for receiving a setpoint of a type known per se, such as for example a computer.
  • the setpoint is representative of a desired speed of rotation of a rotor of the propulsion means.
  • other physical parameters can be considered to define the instruction, such as for example a predetermined orientation of the aircraft. The choice of a parameter depends in particular on the control strategy that is chosen to ensure the thrust of the aircraft.
  • Such a control system 20 comprises a control device 22
  • actuators are, for example means configured to deliver a quantity
  • hydrocarbons determined at the gas generator 11 such as for example a fuel metering device.
  • the control device 22 comprises for example one or more
  • control device 22 also comprises one or more programmable logic circuits, of the FPGA, PLD, etc. type, and / or specialized integrated circuits (ASIC), and / or a set of discrete electronic components, etc. adapted to implement the control of the operation of the turbine engine 1.
  • programmable logic circuits of the FPGA, PLD, etc. type, and / or specialized integrated circuits (ASIC), and / or a set of discrete electronic components, etc. adapted to implement the control of the operation of the turbine engine 1.
  • control device 22 comprises a set of means configured in software (specific computer program) and / or hardware (FPGA, PLD, ASIC, etc.) to implement the control. operation of the turbine engine 1.
  • control device 22 is configured according to a "PID" type model (acronym of the expression "
  • the control system 20 also comprises, at the output, a measurement of the speed of rotation of the rotor of the propulsion means 14, typically by means of dedicated sensors 23, such as for example phonic wheels. This measured speed is redirected to the input of the control system 20 so that the latter operates according to a closed loop control logic.
  • the control device 22 is an integral part of the closed control loop, and is therefore configured to generate a control signal on the basis of a difference between the speed setpoint and the speed measurement.
  • the speed setpoint is therefore controlled, and the control device acts as a corrector to compensate for said difference.
  • the control signal is then transmitted to the actuators, which has an effect on the turbine engine 1, and therefore ultimately also on the transmission line (change of speed of rotation of the turbine and output shafts, and therefore of the means of propulsion 14).
  • a control signal generated in response to a deviation from the setpoint corresponds to a digital signal.
  • the sampling frequency of the control signals generated during operation of the turbine engine 1 is denoted F_E in the remainder of the description, and is for example equal to 50 Hz. Nothing excludes however, according to other examples not detailed here , to consider a sampling frequency F_E other than 50 Hz.
  • control loop as known until now, and illustrated in Figure 2, is associated with a transfer function representative of the frequency response, to a control signal, of the assembly formed by the actuators and the turbine engine 1.
  • transfer function here is of the low-pass type.
  • FIG. 3 schematically represents the gain of the transfer function associated with the closed control loop, and corresponds to a graph on a semi-logarithmic scale (Bode diagram).
  • This graph has an x-axis representing the frequency f in Hertz (Hz), as well as an y-axis representing the gain of the GdB filter in decibels (dB).
  • the change in gain as a function of frequency comprises three areas, namely:
  • zone A corresponding to the pass band of the transfer function (in this example, it extends between 0 Hz and approximately 1 Hz), and in which the gain of the loop is increased, in absolute value, by a value V, for example equal to 0 dB,
  • zone B corresponding to the transition band of the transfer function, and located between zones A and C.
  • the frequency F_T of the torsion mode is located in zone B. Also, the frequency F_T is sufficiently close to zone A for it to be necessary to consider attenuating it, in order to avoid the excitation of the associated torsion mode, and therefore to avoid any risk of premature material wear.
  • the present invention proposes a solution to this problem, a solution which does not require modifying the mechanical architecture of the turbine engine, nor modifying the pre-existing regulation logic of the operation of the turbine engine.
  • the frequency F_T is equal to 7 Hz as well as associated with a
  • frequency F_T is associated with an interval of
  • the frequency F_T is determined during a campaign of bench tests of the dynamic behavior of the power transmission line. It should be noted that such a test campaign is carried out once the mechanical sizing of the turbine engine as well as the design of the regulation logic have been completed. The confidence interval therefore depends on the precision of the measurements carried out during the tests, but also on the number of tests carried out according to statistical methods known to those skilled in the art, and not detailed here because outside the scope of the invention. .
  • parameter that would be identified as the source of variation of the frequency F_T such as for example the dispersions linked to the manufacturing processes of the parts which constitute the power transmission line or even the evolution of these parameters during the life of these said parts.
  • FIG. 4 represents a flowchart of an embodiment of a method for parameterizing a digital filter for the attenuation of the torsion mode associated with the frequency F_T.
  • Said parameterization method is implemented by a control device.
  • parameter setting (not shown in the figures) which comprises for example one or more processors and storage means (magnetic hard disk, electronic memory, optical disc, etc.) in which data and a computer program are stored, under the form of a set
  • program code instructions to be executed in order to implement all or part of the steps of the parameterization method.
  • the parameter-setting device also comprises one or more programmable logic circuits, of the FPGA, PLD, etc. type, and / or specialized integrated circuits (ASIC), and / or a set of discrete electronic components, etc. suitable for implementing all or part of the steps of the parameterization process.
  • programmable logic circuits of the FPGA, PLD, etc. type, and / or specialized integrated circuits (ASIC), and / or a set of discrete electronic components, etc. suitable for implementing all or part of the steps of the parameterization process.
  • the parameter setting device comprises a set of means configured in software (specific computer program) and / or hardware (FPGA, PLD, ASIC, etc.) to implement the various steps. of the parameterization process.
  • the digital filter parameterized by means of the parameterization method is a digital filter parameterized by means of the parameterization method.
  • the digital filter is intended to be integrated, for example in software, at the output of the control device 22.
  • the digital filter of the present invention is sought in the form of a low pass filter, in particular so as not to disturb the behavior of the transfer function associated with the control loop.
  • the digital filter is further sought so that the transfer function associated with it is causal, stable and equal to the quotient N (z) / D (z), where N and D are polynomial functions, N being of degree strictly greater than 1.
  • the transfer function is therefore a rational fraction. As it is causal, this implies that the degree of the denominator is strictly greater than that of the numerator.
  • the stability criterion implies that the poles of D (z) are all included in the unit circle of the complex plane. It will also appear clearly to those skilled in the art that the argument z of the functions N (z) and D (z) corresponds to the notation of a complex variable conventionally used for the manipulation of discrete signals, the link of which with the continuous representation is done through the z transform. We then have the following formula:
  • the parameterization method comprises several steps.
  • the process consists first of placing the zeros of the numerator in order to target the attenuation of the frequency F_T. These zeros are then updated to take into account the uncertainty of the value of the frequency F_T. It is only after the numerator setting is completed that the denominator in turn is set by placing its poles, primarily to adjust the phase of the digital filter.
  • the parameterization method firstly comprises a step 100 of calculating, as a function of the frequencies F_T and F_E, of complex numbers forming zeros of N (z), so that the filter attenuates the frequency F_T.
  • step 100 The objective of step 100 is to target a first placement of the zeros of N (z) in order to ensure an attenuation of the frequency F_T.
  • the degree of N (z) is equal to 2. This implies that N (z) has two zeros denoted z_1 and z_2 respectively. These zeros z_1 and z_2 are calculated according to the following formulation during calculation step 100:
  • Calculating the zeros z_1 and z_2 in this way amounts to determining a digital filter precisely targeting the frequency F_T as being the frequency to be attenuated.
  • the fact that such zeros are first determined on the unit circle is representative of the poor damping of the frequency F_T by the power transmission line.
  • step 100 nothing excludes calculating, during step 100, zeros z_1 and z_2 in a different manner, since the latter make it possible to exclude a frequency zone substantially centered around the frequency F_T associated with the mode. twist.
  • the zeros are determined during step 100 close to the unit circle (therefore of modulus substantially equal to 1), ideally on the unit circle, in order to easily initialize the parameterization process.
  • N can be parameterized so as to be of degree strictly greater than 2, for example equal to 4, as long as the constraint according to which the filter is causal is respected.
  • the parameterization method then comprises a step 200 of updating the zeros of N (z), so that the gain of the filter satisfies, in the confidence interval le, a first amplitude mask predetermined as a function of of the amplitude of the torsion mode.
  • This step 200 of updating the zeros makes it possible to take into account
  • the step 200 for updating the zeros of N (z) comprises a sub-step of reducing the respective moduli of the zeros according to a predetermined step.
  • the fact of reducing the respective moduli of the zeros determined during the calculation step 100 makes it possible to move them away from the unit circle (towards the interior of the unit circle), and therefore to thus widen the attenuation zone of the filter so as to take into account the confidence interval le.
  • the sub-step of reducing the modules is then iterated as long as the
  • the modulus reduction step is set equal to 0.01. In this way, and during a first iteration of the reduction sub-step, the Updated zeros have modulus equal to 0.99. It is further understood that if the reduction sub-step is iterated for example five times, the zeros obtained at the end of the update step 200 will have a modulus equal to 0.95.
  • the update of the zeros of step 100 can be carried out by means of an optimization algorithm, for example a shape optimization algorithm, aiming to optimize a predetermined cost function as a function of the amplitude of the torsion mode.
  • an optimization algorithm nevertheless increases the complexity of the step 200 of updating the zeros of N (z).
  • the first gain template corresponds, in the confidence interval le, to an increase, preferably strict, of the value of the gain by the opposite of the amplitude of the resonance of the twist mode.
  • the filter is designed so that the gain minimally compensates for this amplification. In terms of template, this results in a maximum constraint of -3dB at the frequency F_T.
  • the updating of the zeros according to the invention reduces, in absolute value, the amplitude of the gain of the filter relative to the gain obtained at the end of the single calculation step 100. Therefore, fixing such a first gain mask allows to provide a constraint to stop updating zeros, so that the filter will completely attenuate the frequency F_T in the confidence interval le.
  • the first gain template can correspond to a gain value of between 90% and 95% of the amplitude of the torsion mode.
  • the step subsequent to the step 200 of updating the zeros, and which is described later has the effect of further reducing the gain of the digital filter at the frequency F_T, so that it is possible to achieve a compromise between the amplitude of the torsion mode, the gain of the filter at the end of step 200 and the length of the interval Ic.
  • steps 100 and 200 are essentially aimed at
  • the parameterization method comprises a step 300 of
  • Said step 300 is performed under constraints, namely that the poles of D (z) are determined so that, in the bandwidth of the loop:
  • the gain of the filter satisfies a second predetermined gain template as a function of the value V.
  • This step 300 therefore aims to place the poles of D (z) so as to control the evolution of the phase of the filter over the passband of the control loop, which ultimately makes it possible to control the phase of the filter. over the entire frequency spectrum considered (zones A, B and C). Furthermore, the fact of also constraining the gain of the filter in this way in the passband of the loop makes it possible to guarantee that the useful information contained in the control signals can continue to be conveyed to the actuators of the turbine engine 1 without attenuation.
  • the poles of D (z) are all considered to be equal.
  • poles all equal to each other makes it possible to obtain an advantageous compromise between the complexity of the parameterization (and therefore the calculation time and the necessary calculation means) and the precision of the behavior of the filter. It should nevertheless be noted that the choice of poles which are all equal to one another only constitutes an implementation variant of the invention.
  • the real poles can be determined so as to be all distinct from each other, or even so that only certain poles are equal to each other.
  • the step 300 of determining the poles of D (z) comprises:
  • the translation sub-step is then iterated as long as the phase template and the second gain template are not satisfied.
  • the pole selected during an iteration corresponds to the translated pole obtained during the previous iteration.
  • said translation step along the real axis is set equal to 0.01 in the direction of decreasing reals.
  • the pole is equal to 0.89 if the pole initially selected is equal to 0.9. It is further understood that if the translation substep is iterated for example five times, the pole obtained at the end of step 300 will be equal to 0.85 if the very first pole selected is equal to 0.9.
  • the direction of translation depends on the position of the pole initially selected relative to the terminals -1 and 1.
  • the fact of determining the pole of D (z) by iteration of translations makes it possible to obtain a good compromise between the calculation time and the complexity of the parameterization.
  • the determination of the pole of D (z) can be carried out by means of an optimization algorithm, for example an optimization algorithm of form.
  • an optimization algorithm for example an optimization algorithm of form.
  • Such an optimization algorithm increases the complexity of step 300.
  • the phase mask corresponds to an increase in the phase shift introduced by the filter on zone A, which corresponds to the passband of the closed loop.
  • this increase corresponds to a predetermined multiple of the product of period 1 / F_E by the maximum pulse delimiting zone A.
  • the numerator D (z) is set so as to be of a degree equal to 3. This choice advantageously makes it possible to meet the need while limiting the complexity of the filter. However, it should be noted that this choice is only an alternative implementation of the invention.
  • D (z) can be parameterized so as to be of degree strictly greater than 3, for example equal to 5, as long as the constraint according to which the filter is causal is respected.
  • FIG. 5 diagrammatically represents a preferred embodiment of the parameterization method, in which said method comprises, following step 300 of determining real numbers forming poles of D (z), a step 400 for validating the temporal behavior of the digital filter.
  • validation of the temporal behavior one refers here to the fact of checking that the output of the digital filter follows in time an expected behavior in response to a known input signal.
  • the validation step 400 makes it possible to ensure that the filter
  • said validation step 400 consists of verifying that the temporal response of the filter to a step signal
  • step 300 of determining the poles of D (z) and step 400 of validation are iterated until the behavior of the digital filter is validated.
  • the poles of D (z) are readjusted.
  • step 300 can for example be executed by choosing real poles which are all identical, but for which the first pole selected before any translation differs from that selected during the first implementation of the method leading to the filter whose behavior is not satisfactory.
  • FIGS. 6A, 6B, 7A, 7B, 8A, 8B represent the respective evolutions of the gain (FIGS. 6A, 7A, 8A) and of the phase (FIGS. 6B, 7B, 8B) of the digital filter obtained step by step during of an example of implementation of said parameterization method.
  • FIG. 6A schematically represents the frequency evolution of the gain of the digital filter at the end of the step 100 of calculating the parameterization method. As illustrated in FIG. 6A, the gain increases considerably, in absolute value, at the level of the frequency F_T, which corresponds well to the
  • Figure 6B shows schematically, for its part, the evolution
  • phase of the filter is not yet under control since it increases beyond 180 ° for frequencies above the frequency F_T.
  • N (z) the zeros of N (z) determined at the end of step 100 are respectively equal to 0.637 + 1 * 0.771 and 0.637 - i * 0.771.
  • FIGS. 6A and 6B have been obtained by simulation of the behavior of the digital filter, thanks to the parameter setting device.
  • Figures 7A and 7B correspond to the respective updates of Figures 6A and 6B, once the step 200 of updating the zeros has been performed.
  • the gain of the digital filter has decreased, in absolute value, in the vicinity of the frequency F_T, more
  • FIGS. 8A and 8B correspond to the respective updates of FIGS. 7A and 7B, once step 300 of determining the poles has been carried out. Note that at the end of step 300, the poles are all determined to be 0.5.
  • the gain of the digital filter has increased, in absolute value, in the vicinity of the frequency F_T, more specifically in the meantime. There is therefore a very strong attenuation targeted on the mode of torsion of the power transmission line. In addition, the gain remains below 0 dB in the passband, which means that the digital filter modifies the low frequency control signal very slightly.
  • the phase for its part, and as illustrated in FIG. 8B, remains between 0 ° and 180 ° in absolute value over the whole of the frequency spectrum envisaged (zones A, B and C), which makes it possible to avoid any side effect during the execution of the control loop, such as for example an excessive phase shift which could lead to an inversion of the control signal.
  • the invention remains of course applicable for a torsion mode positioned not in zone B but also in zone A or else zone C.
  • the invention therefore advantageously makes it possible to configure a digital filter to effectively attenuate the torsion mode of the power transmission line around the frequency of said torsion mode, without degrading the gain of the pre-existing control loop on the rest. of the frequency spectrum, by limiting the phase shift effects introduced, and without any undesirable temporal behavior being introduced into the pre-existing regulation logic.
  • the parameterization method makes it possible to obtain a very efficient digital filter of reasonable order, typically less than 5, for example equal to 3, which is compatible with a real-time implementation in the pre-existing control logic.
  • digital parameterized according to the invention can be easily implemented in pre-existing control software.
  • those skilled in the art have access to function libraries allowing them to generate such a digital filter at the output of the control device 22 of the control loop.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de paramétrage d'un filtre numérique pour l'atténuation d'un mode de torsion d'une ligne de transmission de puissance d'un turbomoteur (1) d'aéronef, ledit mode étant associé à une fréquence F_T comprise dans un intervalle de confiance le, le filtre numérique étant de type passe-bas et : - décrit par une fonction de transfert causale, stable et égale au quotient N(z)/D(z), - destiné à être intégré dans une boucle de contrôle préexistante du turbomoteur (1), de sorte à filtrer des signaux échantillonnés à une fréquence F_E, ladite boucle étant fermée et de gain majoré, en valeur absolue, par une valeur V dans sa bande passante. En outre, le procédé comporte : - une étape (100) de calcul de zéros de N(z), de sorte que le filtre atténue la fréquence F_T, - une étape (200) de mise à jour des zéros de N(z), de sorte que le gain du filtre satisfasse, dans l'intervalle le, un premier gabarit de gain, - une étape (300) de détermination de pôles de D(z), de sorte que, dans la bande passante de la boucle : - la phase du filtre satisfait un gabarit de phase, - le gain du filtre satisfait un second gabarit de gain.

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé de paramétrage d'un filtre numérique pour l'atténuation d'une fréquence associée à un mode de torsion d'une ligne de transmission de puissance d'un turbomoteur
Technique antérieure
[0001 ] La présente invention appartient au domaine des turbomoteurs d’aéronefs, tels que des avions ou des hélicoptères. Elle concerne plus particulièrement un procédé de paramétrage d’un modèle de filtre numérique pour l’atténuation d’un mode de torsion d’une ligne de transmission de puissance d’un turbomoteur d’aéronef. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse, bien que nullement limitative, dans le cas d’un turbomoteur comprenant des moyens de propulsion non carénés.
[0002] La mise en œuvre de turbomoteurs dans la conception d’aéronefs, aussi bien civils que militaires, comme par exemple des avions et des hélicoptères, est aujourd’hui très largement répandue. Les turbomoteurs permettent en effet de développer la puissance nécessaire aux vols d’aéronefs dont la masse atteint le plus souvent plusieurs dizaines de tonnes.
[0003] Les turbomoteurs se déclinent selon différentes versions (turbines à gaz, turboréacteurs, turbopropulseurs, etc.) toutes régies par un même principe de fonctionnement, à savoir la conversion d’une énergie cinétique et thermique, issue d’une production de gaz (typiquement par combustion d’un hydrocarbure), en une énergie mécanique destinée à mettre en rotation au moins un arbre couplé à des moyens de propulsion, tels qu’un rotor muni d’hélices par exemple.
[0004] De manière conventionnelle, un turbomoteur comporte un générateur de gaz et une turbine, de type liée ou libre, positionnée en aval du générateur de gaz, par référence au sens d’écoulement des gaz dans le turbomoteur. Cette turbine est entraînée en rotation par le flux de gaz généré, de sorte à mettre en rotation une ligne de transmission (encore dite « ligne de transmission de puissance »). La ligne de transmission comporte, de façon connue, au moins un arbre directement couplé à la turbine, encore dit « arbre de turbine », ainsi qu’au moins un arbre de sortie couplé aux moyens de propulsion. De manière optionnelle, un réducteur de vitesse de type épicycloïdal relie l’arbre de turbine à l’arbre de sortie, afin de réduire la vitesse de rotation des moyens de propulsion.
[0005] Le fonctionnement du turbomoteur est classiquement piloté par un ensemble de logiques qui forment ce qu’on appelle le contrôle moteur. Parmi ces logiques, certaines s’appuient sur des rétroactions pour constituer des logiques de contrôle en boucle fermée. Une telle boucle vise à contrôler un paramètre de
fonctionnement du turbomoteur, comme par exemple une vitesse de rotation d’un rotor des moyens de propulsion, pour répondre à une stratégie de pilotage préétablie. A cet effet, la boucle réalise des mesures dudit paramètre, et compare ces mesures à une consigne. L’écart éventuel entre les mesures et la consigne est transmis à un dispositif de commande apte à générer un signal de commande qui est transmis au turbomoteur afin de compenser ledit écart, le processus de contrôle étant ensuite itéré suivant ladite boucle.
[0006] Le signal de commande généré par le dispositif de commande impacte ainsi le fonctionnement de la turbomachine, qui inclut notamment l’ensemble formé par la turbine, la ligne de transmission et les moyens de propulsion. Or, cet ensemble est notamment caractérisé, comme tout système mécanique, par une certaine raideur -ici en rotation- qui pour des contraintes de dimensionnement peut ne pas être suffisante en regard des éléments fortement inertiel que l’on retrouve à ses extrémités. Ce problème est encore aggravé par l’augmentation de la longueur de la ligne de transmission ou par celle du nombre de ses composants, via l’introduction d’un réducteur par exemple. La ligne de transmission présente alors un mode de torsion dont la fréquence est typiquement positionnée en dehors, mais néanmoins relativement proche, de la bande passante d’utilisation de la ligne de transmission. Par conséquent, il existe un risque que la commande générée par le dispositif de commande excite le mode de torsion de la ligne de transmission, ou amplifie la résonnance suite à une excitation extérieure à la boucle fermée. Une telle configuration est problématique dans la mesure où les oscillations de torsion peuvent présenter une amplitude apte à dégrader fortement la tenue en fatigue de la ligne de transmission, et donc engendrer une usure prématurée du matériel et provoquer la plastification ou la rupture de l’arbre. [0007] Au moins conceptuellement, et afin de limiter l’excitation de la ligne de transmission suivant son mode de torsion, il pourrait être envisagé, selon une première alternative, d’orienter la conception mécanique et le dimensionnement du turbomoteur afin que ledit mode de torsion soit suffisamment éloigné de la bande passante de la boucle de contrôle. De cette manière, la puissance des signaux de commande seraient suffisamment atténuée aux fréquences dudit mode de torsion.
[0008] Selon une deuxième alternative, il pourrait être envisagé non pas de modifier l’architecture mécanique du turbomoteur, mais plutôt de tenir compte de la connaissance du mode de torsion (fréquence, amplitude) dans la conception de la boucle de contrôle du turbomoteur. Autrement dit, une fois le design du turbomoteur arrêté, et le mode de torsion identifié, on conçoit la boucle de contrôle de sorte que celle-ci n’excite pas ledit mode de torsion.
[0009] Ces deux alternatives vont néanmoins à l’encontre du cycle classique de
conception d’un turbomoteur. En effet, le dimensionnement d’un turbomoteur vise à définir des contraintes de réalisation globales, c’est-à-dire qui s’imposent au turbomoteur lorsqu’il est considéré dans son intégralité (voire idéalement lorsque l’environnement dans lequel il est destiné à être intégré est pris en compte). De telles contraintes concernent, par exemple, la masse, le coût, l’encombrement, les modes de fonctionnement et d’utilisation, etc. Néanmoins, un turbomoteur est un système d’architecture complexe, au sens où il est fabriqué au moyen d’une grande quantité de pièces, si bien qu’il est à la fois difficile de décliner toutes ces contraintes haut niveau à chacune desdites différentes pièces et d’anticiper, avant de les réaliser, le comportement de la machine finale.
[0010] En conséquence, les comportements dynamiques complexes liés à des effets d’intégration sont souvent découverts tardivement dans le cycle de conception et validés seulement lors d’essais moteur, une fois l’ensemble des dites pièces réalisées et assemblées.
[0011 ] On comprend donc que si le dimensionnement initial ne permet pas d’éviter un mode de torsion de la ligne, la conception mécanique et / ou la logique de régulation associée à la boucle de contrôle doit être revue, ce qui est particulièrement long et coûteux, et par conséquent à éviter.
Exposé de l’invention
[0012] La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des
inconvénients de l’art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant, en proposant une solution qui permette d’atténuer un mode de torsion d’une ligne de
transmission de puissance d’un turbomoteur, de sorte à éviter tout
redimensionnement matériel dudit turbomoteur ainsi que toute altération de la logique de régulation préexistante de fonctionnement dudit turbomoteur.
[0013] A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de paramétrage d’un filtre numérique pour l’atténuation d’un mode de torsion d’une ligne de transmission de puissance d’un turbomoteur d’aéronef, ledit mode étant associé à une fréquence F_T comprise dans un intervalle de confiance le, le filtre numérique étant de type passe-bas et :
- décrit par une fonction de transfert en z causale, stable et égale au quotient N(z) / D(z), où N et D sont des fonctions polynomiales, N étant de degré strictement supérieur à 1 ,
- destiné à être intégré dans une boucle de contrôle préexistante du turbomoteur, de sorte à filtrer des signaux de commande générés par un dispositif de commande de ladite boucle et échantillonnés à une fréquence F_E, ladite boucle étant fermée et associée à une bande passante dans laquelle le gain de la boucle est majoré, en valeur absolue, par une valeur V.
En outre, ledit procédé est mis en œuvre par un dispositif de paramétrage et comporte :
- une étape de calcul, en fonction des fréquences F_T et F_E, de nombres complexes formant des zéros de N(z), de sorte que le filtre atténue la fréquence F_T,
- une étape de mise à jour des zéros de N(z), de sorte que le gain du filtre satisfasse, dans l’intervalle de confiance le, un premier gabarit de gain
prédéterminé en fonction de l’amplitude du mode de torsion,
- une étape de détermination de nombres réels formant des pôles de D(z), de sorte que, dans la bande passante de la boucle :
- la phase du filtre satisfait un gabarit de phase prédéterminé en fonction de la fréquence F_E,
- le gain du filtre satisfait un second gabarit de gain prédéterminé en fonction de la valeur V.
[0014] L’étape de calcul des zéros de N(z) permet d’initier le paramétrage du filtre en ciblant précisément la fréquence F_T à atténuer. A ce stade, il n’est pas tenu compte du comportement fréquentiel de la phase du filtre.
[0015] Suite à l’étape de calcul, l’étape de mise à jour permet de relâcher
l’atténuation jusqu’alors ciblée uniquement sur la fréquence F_T, de sorte à tenir compte de l’intervalle de confiance le dans lequel est comprise ladite fréquence F_T. Dit autrement, cette étape permet de prendre en compte l’incertitude associée à la valeur de la fréquence F_T, et donc de rendre plus robuste l’atténuation finale recherchée pour le filtre numérique par rapport à cette incertitude.
[0016] Il faut remarquer qu’à ce stade, à nouveau, il n’est pas tenu compte du
comportement fréquentiel de la phase du filtre. Par contre, le comportement du gain du filtre est quant à lui sensiblement arrêté, et est susceptible de varier uniquement à la marge lors de l’étape ultérieure de détermination des pôles de D(z). Plus précisément, le fait que le module du gain diminue, en valeur absolue et dans l’intervalle le, au cours de l’étape de mise à jour est contrecarré par le fait que celui-ci augmente à nouveau lors de l’étape de détermination des pôles de D(z).
[0017] Enfin, l’étape de détermination des pôles de D(z) vise à placer les pôles de D(z) de sorte à contrôler l’évolution de la phase du filtre sur la bande passante de la boucle, ce qui permet in fine de contrôler la phase du filtre sur l’ensemble du spectre fréquentiel envisagé (zones A, B et C). En outre, le fait de contraindre également le gain du filtre dans la bande passante de la boucle permet de garantir que l’information utile contenue dans les signaux de commande puisse continuer à être acheminée vers les actionneurs du turbomoteur.
[0018] Ainsi, l’invention permet d’intégrer en sortie du dispositif de commande de la boucle fermée un filtre numérique configuré pour atténuer le mode de torsion associée à la ligne de puissance, sans redimensionner matériellement le turbomoteur, ainsi que sans modifier la logique de régulation préexistante (c’est- à-dire le fonctionnement d’un système de contrôle fonctionnant selon ladite boucle fermée préexistante). Le filtre numérique obtenu par le procédé de paramétrage ne vient que compléter la logique de régulation préexistante.
[0019] Il convient de noter que le paramétrage du filtre numérique est
avantageusement effectué en découplant le placement des zéros du numérateur N(z), pour garantir une atténuation suffisante dans l’intervalle le, du placement des pôles du dénominateur D(z), pour essentiellement contrôler la phase du filtre numérique.
[0020] Un tel découplage est avantageux car il permet d’obtenir un filtre linéaire
discret, mais également un bon compromis entre le comportement visé du filtre et un degré du filtre peu élevé. Le filtre obtenu de cette manière est également très facilement implémentable dans un logiciel de calculateur à partir des
bibliothèques de fonctions élémentaires connues de l’homme du métier et couramment utilisées pour la réalisation de logiciels aéronautiques certifiés.
[0021 ] Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le procédé de paramétrage peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
[0022] Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, l’étape de mise à jour des zéros de N(z) comporte une sous-étape de diminution des modules respectifs des zéros selon un pas prédéterminé, la sous-étape de diminution étant exécutée de manière itérative tant que le premier gabarit d’amplitude n’est pas satisfait.
[0023] Diminuer ainsi les modules respectifs des zéros déterminés lors de l’étape de calcul permet d’éloigner ces derniers du cercle unité, et donc d’élargir ainsi la zone d’atténuation du filtre de sorte à prendre en compte l’intervalle de confiance le. Cela permet en outre d’obtenir un bon compromis entre l’efficacité et la complexité du paramétrage.
[0024] Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, les pôles de D(z) sont
considérés tous égaux entre eux, l’étape de détermination des pôles comportant : - une sous-étape de sélection d’un pôle strictement compris entre -1 et 1 ,
- une sous-étape de translation du pôle sélectionné le long de l’axe réel et selon un pas prédéterminé, de sorte à obtenir un pôle translaté,
ladite sous-étape de translation étant exécutée de manière itérative tant que le gabarit de phase et le second gabarit de gain ne sont pas satisfaits, le pôle sélectionné lors d’une itération correspondant au pôle translaté obtenu lors de itération précédente.
[0025] Déterminer ainsi les pôles de D(z) permet avantageusement de contrôler l’évolution de la phase du filtre sur la bande passante de la boucle, ce qui permet in fine de contrôler la phase du filtre sur l’ensemble du spectre fréquentiel. En outre, le fait de contraindre également le gain du filtre et de le normaliser de la sorte dans la bande passante de la boucle permet de garantir que l’information utile contenue dans les signaux de commande puisse continuer à être
acheminée vers des actionneurs du turbomoteur.
[0026] Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le premier gabarit de gain correspond à une majoration, dans l’intervalle de confiance le, de la valeur du gain par l’opposé de l’amplitude du mode de torsion.
[0027] Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le gabarit de phase
correspond à une majoration du déphasage introduit par le filtre dans la bande passante de la boucle fermée.
[0028] Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le degré de N(z) est égal à 2, de sorte à obtenir, lors de l’étape de calcul, des zéros z_1 et z_2 selon la formulation suivante :
z_1 =exp((2xixnxF_T)/F_E) et z_2=exp((-2xixnxF_T)/F_E).
[0029] Le fait que N(z) soit de degré égal à 2 permet de limiter la complexité du filtre, ainsi que cibler précisément la fréquence F_T devant être atténuée.
[0030] Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le degré de D(z) est égal à 3.
[0031 ] Le fait que D(z) soit de degré égal à 3 permet avantageusement de limiter la complexité du filtre, tout en permettant de disposer d’un filtre strictement propre.
[0032] Dans des modes particuliers de mise en œuvre, la fréquence F_T et
l’intervalle de confiance le sont préalablement déterminés lors d’une campagne de tests sur banc d’essai du comportement oscillatoire de la ligne de
transmission de puissance.
[0033] Dans des modes particuliers de mise en œuvre, ledit procédé comporte, à la suite de l’étape de détermination de nombres réels formant des pôles de D(z), une étape de validation du comportement temporel du filtre numérique, ladite étape de validation consistant à vérifier que la réponse temporelle du filtre à un signal échelon est monotone croissante.
[0034] Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un système de contrôle
destiné à être embarqué dans un aéronef comportant un turbomoteur, ledit turbomoteur comprenant une ligne de transmission de puissance présentant un mode de torsion associé à une fréquence F_T comprise dans un intervalle de confiance le, ledit système comportant des moyens de réception d’une consigne relative à un paramètre prédéterminé, un dispositif de commande configuré pour générer des signaux de commande échantillonnés à une fréquence F_E et des moyens de mesure dudit paramètre, ledit système de contrôle formant une boucle fermée de contrôle associée à une bande passante dans laquelle le gain est majoré, en valeur absolue, par une valeur V. En outre, la boucle de contrôle comporte un filtre numérique paramétré au moyen d’un procédé selon l’invention, ledit filtre numérique étant intégré dans ladite boucle de sorte à filtrer les signaux de commande.
[0035] Selon un troisième aspect, l’invention concerne un programme d’ordinateur comportant un ensemble d’instructions de code de programme qui, lorsqu’elles sont exécutées par un processeur, configurent ledit processeur pour mettre en oeuvre un procédé de paramétrage selon l’invention.
[0036] Selon un quatrième aspect, l’invention concerne un support d’enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d’ordinateur selon l’invention.
[0037] Selon un cinquième aspect, l’invention concerne un dispositif de paramétrage d’un filtre numérique, ledit filtre étant destiné à atténuer un mode de torsion d’une ligne de transmission de puissance d’un turbomoteur d’aéronef, ledit mode étant associé à une fréquence F_T comprise dans un intervalle de confiance le, le filtre numérique étant de type passe-bas et :
- décrit par une fonction de transfert en z causale, stable et égale au quotient N(z) / D(z), où N et D sont des fonctions polynomiales, N étant de degré strictement supérieur à 1 ,
- destiné à être intégré dans une boucle de contrôle préexistante du turbomoteur, de sorte à filtrer des signaux de commande générés par un dispositif de commande de ladite boucle et échantillonnés à une fréquence F_E, ladite boucle étant fermée et associée à une bande passante dans laquelle le gain de la boucle est majoré, en valeur absolue, par une valeur V,
ledit dispositif comportant :
- un module de calcul, configuré pour calculer, en fonction des fréquences F_T et F_E, des nombres complexes formant des zéros de N(z), de sorte que le filtre atténue la fréquence F_T,
- un module de mise à jour, configuré pour mettre à jour les zéros de N(z), de sorte que le gain du filtre satisfasse, dans l’intervalle de confiance le, un premier gabarit de gain prédéterminé en fonction de l’amplitude du mode de torsion,
- un module de détermination, configurés pour déterminer des nombres réels formant des pôles de D(z), de sorte que, dans la bande passante de la boucle :
- la phase du filtre satisfait un gabarit de phase prédéterminé en fonction de la fréquence F_E,
- le gain du filtre satisfait un second gabarit de gain prédéterminé en fonction de la valeur V.
[0038] Selon un sixième aspect, l’invention concerne un aéronef comportant un
turbomoteur, ledit turbomoteur comprenant une ligne de transmission de puissance présentant un mode de torsion associé à une fréquence F_T comprise dans un intervalle de confiance le. En outre, ledit aéronef comporte un système de contrôle selon l’invention.
Brève description des dessins
[0039] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
[Fig. 1 ] la figure 1 représente schématiquement un exemple de réalisation d’un système, dit système de transmission de puissance, d’un turbomoteur d’aéronef ;
[Fig. 2] la figure 2 représente schématiquement un exemple, connu de l’homme du métier, de fonctionnement, en mode nominal, d’un système de contrôle d’un turbomoteur ; [Fig. 3] la figure 3 représente schématiquement le gain de la fonction de transfert associée à la boucle de contrôle fermée selon laquelle est configurée le système de contrôle de la figure 2 ;
[Fig. 4] la figure 4 représente un organigramme d’un mode de mise en œuvre d’un procédé de paramétrage d’un filtre numérique selon l’invention, ledit procédé permettant d’atténuer un mode de torsion d’une ligne de puissance d’un turbomoteur
[Fig. 5] la figure 5 représente schématiquement un mode préféré de mise en œuvre, selon l’invention, du procédé de paramétrage de la figure 4, dans lequel ledit procédé comporte une étape de validation du comportement temporel du filtre numérique ;
[Fig. 6A] la figure 6A représente l’évolution du gain du filtre numérique obtenu, au cours du procédé de paramétrage selon l’invention, après une étape de calcul des zéros dudit filtre;
[Fig. 6B] la figure 6B représente l’évolution de la phase du filtre numérique obtenu, au cours du procédé de paramétrage selon l’invention, après une étape de calcul des zéros dudit filtre;
[Fig. 7A] la figure 7A représente l’évolution du gain du filtre numérique obtenu, au cours du procédé de paramétrage selon l’invention, après une étape de mise à jour des zéros dudit filtre ;
[Fig. 7B] la figure 7B représente l’évolution de la phase du filtre numérique obtenu, au cours du procédé de paramétrage selon l’invention, après une étape de mise à jour des zéros dudit filtre ;
[Fig. 8A] la figure 8A représente l’évolution du gain du filtre numérique obtenu, au cours du procédé de paramétrage selon l’invention, après une étape de
détermination des pôles dudit filtre ;
[Fig. 8B] la figure 8B représente l’évolution de la phase du filtre numérique obtenu, au cours du procédé de paramétrage selon l’invention, après une étape de détermination des pôles dudit filtre ; Description des modes de réalisation
[0040] La présente invention trouve sa place dans le domaine des turbomoteurs pour aéronefs, et plus particulièrement dans le domaine du de l’amortissement d’un ou plusieurs éléments mécaniques faisant partie d’un turbomoteur.
[0041 ] Par « amortissement », on fait référence ici à la maîtrise de l’amplitude
d’oscillations, dans la mesure où ces dernières sont susceptibles d’être
associées à une fréquence égale, ou au moins proche, de la fréquence d’un mode propre caractéristique de l’ensemble formé par lesdits éléments
mécaniques, ce mode étant susceptible de conduire à usure prématurée dudit ensemble lorsque qu’il est maintenu dans le temps ou bien qu’il est excité de manière répétée. Dit autrement, la notion d’amortissement correspond au fait de chercher un amortissement d’oscillations évoluant à une fréquence
prédéterminée et susceptibles d’endommager les éléments mécaniques considérés.
[0042] La figure 1 représente schématiquement un exemple de réalisation d’un
système 10, dit système de transmission de puissance, d’un turbomoteur d’aéronef 1.
[0043] En pratique, le système 10 de transmission de puissance peut comporter également d’autres éléments que ceux représentés sur la figure 1 , mais qui sortent néanmoins du cadre de la présente invention.
[0044] Tel qu’illustré dans la figure 1 à titre nullement limitatif, le système 10 de
transmission de puissance comporte un générateur de gaz 11. Ce générateur 11 correspond typiquement à une chambre de combustion dans laquelle des hydrocarbures sont enflammés pour générer des gaz à haute température ainsi qu’à haute vitesse. Les gaz générés sont ensuite acheminés vers une turbine 12, dite de puissance, qui est ainsi mise en mouvement. Une telle turbine de puissance 12 peut être désignée par l’expression « turbine libre » par l’homme du métier dans certaines architectures moteur.
[0045] Un arbre de turbine est accouplé, au niveau de ses extrémités respectives, à la turbine de puissance 12, ainsi qu’à un réducteur de vitesse 13 de type épicycloïdal. Un autre arbre, dit arbre de sortie, et opposé à l’arbre de turbine par rapport au réducteur de vitesse 13, s’étend quant à lui entre le réducteur de vitesse 13 et des moyens de propulsion 14 de l’aéronef.
[0046] L’arbre de turbine est donc mis en rotation par la turbine de puissance 12. Le réducteur de vitesse 13 permet quant à lui de mettre en rotation l’arbre de sortie selon une vitesse réduite par rapport à celle de l’arbre de turbine. Finalement, les moyens de propulsion 14 sont à leur tour entraînés par l’arbre de sortie.
[0047] L’ensemble formé par les arbres de turbine et de sortie, ainsi que par le
réducteur de vitesse 13, est couramment appelé « ligne de transmission de puissance ». On comprend en effet que cet ensemble est chargé d’assurer la transmission de l’énergie de rotation de la turbine de puissance 12 aux moyens de propulsion 14.
[0048] La suite de la description vise plus spécifiquement, mais de manière
nullement limitative, un turbomoteur 1 de type turbopropulseur pour un avion. Il s’agit donc là d’un turbomoteur 1 dont la poussée principale est obtenue par la rotation d’au moins une hélice comportant une pluralité de pâles. Par exemple, et de manière préférentielle, les moyens de propulsion 14 comportent deux hélices contrarotatives non carénées, ce qui permet notamment d’améliorer le
rendement propulsif.
[0049] Rien n’exclut cependant, suivant d’autres exemples non détaillés ici, de
considérer d’autres types de turbomoteurs, comme par exemple un
turboréacteur. L’invention est en effet applicable à tout type de turbomoteur dont on souhaite contrôler le fonctionnement afin que la ligne de transmission ne soit pas excitée suivant un mode de torsion qui lui est propre. Rien n’exclut non plus de considérer d’autre type de turbine en aval du générateur de gaz, comme par exemple une turbine liée de type connu en soi, ainsi qu’un aéronef d’un autre type, comme par exemple un hélicoptère.
[0050] On note que le mode de torsion de la ligne de transmission résulte non
seulement de la souplesse en torsion de celle-ci, cette souplesse étant fonction des matériaux employés dans sa fabrication ainsi que de sa longueur et de son diamètre, mais également du fait qu’elle est mise en rotation entre la turbine de puissance 12 et les moyens de propulsion 14 qui sont, quant à eux, des éléments présentant une inertie bien supérieure à celle de la ligne de transmission (ainsi que du réducteur de vitesse 13 dans cet exemple). Autrement dit, au cours du fonctionnement nominal du turbomoteur 1 , la ligne de transmission est susceptible d’être soumise à un couple de torsion apte à exciter son mode de torsion suivant une fréquence propre F_T associée à ce mode.
[0051 ] Le fonctionnement du turbomoteur 1 est classiquement piloté par un système de contrôle 20 embarqué dans l’aéronef.
[0052] La figure 2 représente schématiquement un exemple, connu de l’homme du métier, de fonctionnement, en mode nominal, du système de contrôle 20 du turbomoteur 1. Une telle figure est également désignée par l’expression « schéma-blocs d’asservissement ».
[0053] Par « mode nominal », on fait référence ici au mode selon lequel le système de contrôle 20 agit sur le turbomoteur 1 lorsque ce dernier est soumis à des contraintes pouvant affecter son fonctionnement, mais qui ont néanmoins été prises en compte dans la conception du turbomoteur 1 avant que des tests de réponse dynamique de la ligne de transmission ne soient effectués.
[0054] De manière conventionnelle, et telle que représentée sur la figure 2, le
système de contrôle 20 comporte en entrée des moyens de réception 21 d’une consigne de type connu en soi, comme par exemple un calculateur. Selon le présent exemple de réalisation, la consigne est représentative d’une vitesse de rotation désirée d’un rotor des moyens de propulsion. Il convient toutefois de noter que d’autres paramètres physiques peuvent être considérés pour définir la consigne, comme par exemple une orientation prédéterminée de l’aéronef. Le choix d’un paramètre dépend notamment de la stratégie de contrôle qui est choisie pour assurer la poussée de l’aéronef.
[0055] Un tel système de contrôle 20 comporte un dispositif de commande 22
configurée pour générer des signaux de commande destinés à être transmis à des actionneurs (non représenté sur la figure 2) de l’aéronef. De tels actionneurs sont par exemple des moyens configurés pour délivrer une quantité
d’hydrocarbures déterminés au générateur de gaz 1 1 , comme par exemple un doseur de carburant.
[0056] Le dispositif de commande 22 comporte par exemple un ou plusieurs
processeurs et des moyens de mémorisation (disque dur magnétique, mémoire électronique, disque optique, etc.) dans lesquels sont mémorisés des données et un programme d'ordinateur, sous la forme d'un ensemble d'instructions de code de programme à exécuter pour mettre en œuvre tout ou partie du pilotage du fonctionnement du turbomoteur 1. Alternativement ou en complément, le dispositif de commande 22 comporte également un ou des circuits logiques programmables, de type FPGA, PLD, etc., et / ou circuits intégrés spécialisés (ASIC), et / ou un ensemble de composants électroniques discrets, etc. adaptés à mettre en œuvre le pilotage du fonctionnement du turbomoteur 1.
[0057] En d'autres termes, le dispositif de commande 22 comporte un ensemble de moyens configurés de façon logicielle (programme d'ordinateur spécifique) et / ou matérielle (FPGA, PLD, ASIC, etc.) pour mettre en œuvre le pilotage du fonctionnement du turbomoteur 1.
[0058] Dans un exemple particulier de réalisation, le dispositif de commande 22 est configuré suivant un modèle de type « PID » (acronyme de l’expression «
Proportionnel, Intégrateur, Dérivateur ») que l’homme du métier sait mettre en œuvre. Un tel exemple de réalisation ne constitue néanmoins qu’une variante de réalisation, et rien n’exclut d’avoir un dispositif de commande configuré suivant un modèle de type différent non détaillé ici.
[0059] Le système de contrôle 20 comporte également, en sortie, une mesure de la vitesse de rotation du rotor des moyens de propulsion 14, typiquement grâce à des capteurs 23 dédiés, comme par exemple des roues phoniques. Cette vitesse mesurée est redirigée vers l’entrée du système de contrôle 20 de sorte que ce dernier fonctionne selon une logique de contrôle en boucle fermée.
[0060] Le dispositif de commande 22 fait partie intégrante de la boucle fermée de contrôle, et est donc configurée pour générer un signal de commande sur la base d’un écart entre la consigne de vitesse et la mesure de vitesse. La consigne de vitesse est donc asservie, et le dispositif de commande joue un rôle de correcteur pour compenser ledit écart. Le signal de commande est ensuite transmis aux actionneurs, ce qui a un effet sur le turbomoteur 1 , et donc in fine également aussi sur la ligne de transmission (changement de vitesse de rotation des arbres de turbine et de sortie, et donc des moyens de propulsion 14). [0061 ] Il convient de noter qu’un signal de commande généré en réponse à un écart à la consigne correspond à un signal numérique. La fréquence d’échantillonnage des signaux de commande générés au cours du fonctionnement du turbomoteur 1 est notée F_E dans la suite de la description, et est par exemple égale à 50 Hz. Rien n’exclut cependant, suivant d’autres exemples non détaillés ici, de considérer une fréquence d’échantillonnage F_E différente de 50 Hz.
[0062] La boucle de contrôle telle que connue jusqu’à présent, et illustrée dans la figure 2, est associée à une fonction de transfert représentative de la réponse fréquentielle, à un signal de commande, de l’ensemble formé par les actionneurs et le turbomoteur 1. Dans la mesure où cet ensemble correspond à un ensemble physique du monde réel, la fonction de transfert est ici de type passe-bas.
[0063] Il apparaîtra clairement à l’homme du métier que les expressions « gain de la boucle de contrôle » et « gain de la fonction de transfert associée à la boucle de contrôle » ont la même signification ont la même signification dans la description qui suit.
[0064] La figure 3 représente schématiquement le gain de la fonction de transfert associée à la boucle de contrôle fermée, et correspond à un graphique à l’échelle semi-logarithmique (diagramme de Bode). Ce graphique est muni d’un axe des abscisses représentant la fréquence f en Hertz (Hz), ainsi que d’un axe des ordonnées représentant le gain du filtre GdB en décibels (dB).
[0065] Tel qu’illustré sur la figure 3, l’évolution du gain en fonction de la fréquence comporte trois zones, à savoir :
- une zone A correspondant à la bande passante de la fonction de transfert (dans cet exemple, elle s’étend entre 0 Hz et sensiblement 1 Hz), et dans laquelle le gain de la boucle est majoré, en valeur absolue, par une valeur V, par exemple égale à 0 dB,
- une zone C correspondant à la bande atténuée de la fonction de transfert (dans cet exemple, elle s’étend au-delà de sensiblement 10 Hz),
- une zone B correspondant à la bande de transition de la fonction de transfert, et située entre les zones A et C.
[0066] La fréquence F_T du mode de torsion est localisée dans la zone B. Aussi, la fréquence F_T est suffisamment proche de la zone A pour qu’il soit nécessaire d’envisager de l’atténuer, cela afin d’éviter l’excitation du mode de torsion associée, et donc d’écarter tout risque d’usure matériel prématurée. La présente invention propose une solution à ce problème, solution qui ne nécessite pas de modifier l’architecture mécanique du turbomoteur, ni de modifier la logique de régulation préexistante du fonctionnement du turbomoteur.
[0067] Par exemple, la fréquence F_T est égale à 7 Hz ainsi qu’associée à un
intervalle de confiance le dont les bornes respectives sont 6,5 Hz et 7,5 Hz. Rien n’exclut, suivant d’autres exemples non détaillés ici, de considérer d’autres valeurs pour la fréquence F_T ainsi que pour l’intervalle de confiance le.
[0068] Il convient de noter que la fréquence F_T est associée à un intervalle de
confiance le. L’existence d’un tel intervalle de confiance le se justifie par le fait que la fréquence F_T ne peut pas être connue avec une précision absolue, dans la mesure où des dispersions peuvent exister d’un moteur à l’autre lors d’une production en série.
[0069] Ainsi, suivant un exemple préféré, la fréquence F_T est déterminée lors d’une campagne de tests sur banc d’essai du comportement dynamique de la ligne de transmission de puissance. On note qu’une telle campagne de tests est pratiquée une fois le dimensionnement mécanique du turbomoteur ainsi que la conception de la logique de régulation achevés. L’intervalle de confiance le dépend dès lors de la précision des mesures effectuées lors des tests, mais également du nombre de tests effectués selon des méthodes statistiques connues de l’homme du métier, et non détaillées ici car sortant du cadre de l’invention.
[0070] Rien n’exclut cependant de considérer d’autres méthodes d’obtention de la fréquence F_T ainsi que de son intervalle de confiance le. Par exemple, ils peuvent être obtenus par simulation numérique, ce qui nécessite donc une modélisation fine des différentes parties mécaniques formant le turbomoteur ainsi qu’un modèle mathématique de simulation représentatif du comportement dynamique de ces parties.
[0071 ] Rien n’exclut non plus, pour le choix de le, de tenir compte de tout autre
paramètre qui serait identifié comme source de variation de la fréquence F_T, comme par exemple les dispersions liées aux procédés de fabrication des pièces qui constituent la ligne de transmission de puissance ou encore l’évolution de ces paramètres au cours de la vie de ces dites pièces.
[0072] La figure 4 représente un organigramme d’un mode de mise en œuvre d’un procédé de paramétrage d’un filtre numérique pour l’atténuation du mode de torsion associé à la fréquence F_T.
[0073] Ledit procédé de paramétrage est mis en œuvre par un dispositif de
paramétrage (non représenté sur les figures) qui comporte par exemple un ou plusieurs processeurs et des moyens de mémorisation (disque dur magnétique, mémoire électronique, disque optique, etc.) dans lesquels sont mémorisés des données et un programme d'ordinateur, sous la forme d'un ensemble
d'instructions de code de programme à exécuter pour mettre en œuvre tout ou partie des étapes du procédé de paramétrage. Alternativement ou en
complément, le dispositif de paramétrage comporte également un ou des circuits logiques programmables, de type FPGA, PLD, etc., et / ou circuits intégrés spécialisés (ASIC), et / ou un ensemble de composants électroniques discrets, etc. adaptés à mettre en œuvre tout ou partie des étapes du procédé de paramétrage.
[0074] En d'autres termes, le dispositif de paramétrage comporte un ensemble de moyens configurés de façon logicielle (programme d'ordinateur spécifique) et / ou matérielle (FPGA, PLD, ASIC, etc.) pour mettre en œuvre les différentes étapes du procédé de paramétrage.
[0075] Le filtre numérique paramétré au moyen du procédé de paramétrage est
destiné à être intégré dans la boucle de contrôle préexistante de sorte à filtrer les signaux de commande générés par le dispositif de commande 22. Autrement dit, le filtre numérique est destiné à être intégré, par exemple de manière logicielle, en sortie du dispositif de commande 22.
[0076] Le filtre numérique de la présente invention est recherché sous la forme d’un filtre passe-bas, cela afin, notamment, de ne pas perturber le comportement de la fonction de transfert associée à la boucle de contrôle.
[0077] Le filtre numérique est en outre recherché de sorte que la fonction de transfert qui lui est associée est causale, stable et égale au quotient N(z) / D(z), où N et D sont des fonctions polynomiales, N étant de degré strictement supérieur à 1. La fonction de transfert est donc une fraction rationnelle. Comme elle est causale, cela implique que le degré du dénominateur est strictement supérieur à celui du numérateur. Le critère de stabilité implique quant à lui que les pôles de D(z) sont tous compris dans le cercle unité du plan complexe. Il apparaîtra en outre clairement à l’homme du métier que l’argument z des fonctions N(z) et D(z) correspond à la notation d’une variable complexe classiquement utilisée pour la manipulation des signaux discrets, dont le lien avec la représentation continue est fait par le biais de la transformée en z. On a alors la formule suivante :
z=exp(2m*p/F_E )
où p est la variable de Laplace.
[0078] Les racines du numérateur N(z) et du dénominateur D(z) sont appelées
respectivement zéros et pôles.
[0079] Le procédé de paramétrage comporte plusieurs étapes. Dans son principe général, le procédé consiste tout d’abord à placer les zéros du numérateur afin de cibler l’atténuation de la fréquence F_T. Ces zéros sont ensuite mis à jour de sorte à tenir compte de l’incertitude de la valeur de la fréquence F_T. Ce n’est qu’une fois le paramétrage du numérateur achevé, que le dénominateur est à son tour paramétré par placement de ses pôles, essentiellement afin d’ajuster la phase du filtre numérique.
[0080] Le procédé de paramétrage comporte dans un premier temps une étape 100 de calcul, en fonction des fréquences F_T et F_E, de nombres complexes formant des zéros de N(z), de sorte que le filtre atténue la fréquence F_T.
[0081 ] L’objectif de l’étape 100 est de cibler un premier placement des zéros de N(z) afin d’assurer une atténuation de la fréquence F_T.
[0082] Dans un mode préféré de mise en oeuvre, le degré de N(z) est égal à 2. Cela implique que N(z) comporte deux zéros respectivement notés z_1 et z_2. Ces zéros z_1 et z_2 sont calculés selon la formulation suivante au cours de l’étape 100 de calcul :
z_1 =exp((2xixnxF_T)/F_E) et z_2=exp((-2xixnxF_T)/F_E).
[0083] Calculer les zéros z_1 et z_2 de cette manière, revient à déterminer un filtre numérique ciblant précisément la fréquence F_T comme étant la fréquence à atténuer. Le fait que de tels zéros soient déterminés dans un premier temps sur le cercle unité est représentatif du mauvais amortissement de la fréquence F_T par la ligne de transmission de puissance.
[0084] Rien n’exclut cependant de calculer, au cours de l’étape 100, des zéros z_1 et z_2 de manière différente, dès lors que ces derniers permettent d’exclure une zone fréquentielle sensiblement centrée autour de la fréquence F_T associée au mode de torsion. De préférence, les zéros sont déterminés au cours de l’étape 100 proche du cercle unité (donc de module sensiblement égal à 1 ), idéalement sur le cercle unité, afin d’initialiser de manière simple le procédé de paramétrage.
[0085] Le fait de choisir un degré de N(z) égal à 2 permet de limiter la complexité du filtre. Il convient toutefois de noter que ce choix ne constitue qu’une variante d’implémentation de l’invention. Par exemple, N peut être paramétré de sorte à être de degré strictement supérieur à 2, par exemple égal à 4, dès lors que la contrainte selon laquelle le filtre est causal est respectée.
[0086] Le procédé de paramétrage comporte ensuite une étape 200 de mise à jour des zéros de N(z), de sorte que le gain du filtre satisfasse, dans l’intervalle de confiance le, un premier gabarit d’amplitude prédéterminé en fonction de l’amplitude du mode de torsion.
[0087] Cette étape 200 de mis à jour des zéros permet de prendre en compte
l’incertitude associée à la valeur de la fréquence F_T, et donc de rendre plus robuste l’atténuation finale recherchée pour le filtre numérique par rapport à cette incertitude.
[0088] Dans un mode particulier de mise en œuvre, l’étape 200 de mise à jour des zéros de N(z) comporte une sous-étape de diminution des modules respectifs des zéros selon un pas prédéterminé. Le fait de diminuer les modules respectifs des zéros déterminés lors de l’étape 100 de calcul permet d’éloigner ces derniers du cercle unité (vers l’intérieur du cercle unité), et donc d’élargir ainsi la zone d’atténuation du filtre de sorte à prendre en compte l’intervalle de confiance le.
[0089] La sous-étape de diminution des modules est ensuite itérée tant que le
premier gabarit de gain n’est pas satisfait.
[0090] Par exemple, le pas de diminution des modules est fixé égal à 0,01. De cette manière, et lors d’une première itération de la sous-étape de diminution, les zéros mis à jour ont un module égal à 0,99. On comprend en outre que si la sous-étape de diminution est itérée par exemple cinq fois, les zéros obtenus à l’issue de l’étape 200 de mis à jour auront un module égal à 0,95.
[0091 ] Rien n’exclut cependant, suivant d’autres exemples non détaillés ici, de
considérer un pas supérieur ou inférieur à 0,01. Rien n’exclut non plus de considérer une diminution des modules qui ne soit pas de type additive, mais par exemple de type multiplicative.
[0092] Le fait de diminuer progressivement les modules par itération permet d’obtenir un bon compromis entre le temps de calcul et la complexité du paramétrage.
[0093] Toutefois, il faut noter que cette manière de procéder ne constitue qu’une variante d’implémentation de l’invention. Par exemple, la mise à jour des zéros de l’étape 100 peut être réalisée au moyen d’un algorithme d’optimisation, par exemple un algorithme d’optimisation de forme, visant à optimiser une fonction coût prédéterminée en fonction de l’amplitude du mode de torsion. Un tel algorithme d’optimisation accroît néanmoins la complexité de l’étape 200 de mis à jour des zéros de N(z).
[0094] A titre d’exemple nullement limitatif, le premier gabarit de gain correspond, dans l’intervalle de confiance le, à une majoration, préférentiellement stricte, de la valeur du gain par l’opposé de l’amplitude de la résonance du mode de torsion. Par exemple, si le mode de torsion entraîne un pic de 3 dB sur le diagramme de Bode du système à la fréquence F_T, le filtre est conçu de sorte que le gain compense au minimum cette amplification. En termes de gabarit, cela se traduit par une contrainte de maximum de -3dB à la fréquence F_T.
[0095] En effet, la mise à jour des zéros selon l’invention réduit, en valeur absolue, l’amplitude du gain du filtre par rapport au gain obtenu à l’issu de la seule étape 100 de calcul. Par conséquent, le fait de fixer un tel premier gabarit de gain permet de fournir une contrainte d’arrêt de la mise à jour des zéros, de sorte que le filtre atténuera complètement la fréquence F_T dans l’intervalle de confiance le.
[0096] Le choix d’un tel premier gabarit de gain ne constitue qu’une variante
d’implémentation de l’invention. D’autres variantes sont par conséquent envisageables, comme par exemple avoir un premier gabarit de gain correspondant à une valeur de gain, dans l’intervalle le, supérieure ou égale à l’opposé de l’amplitude du mode de torsion. Par exemple, le premier gabarit de gain peut correspondre à une valeur du gain comprise entre 90% et 95 % de l’amplitude du mode torsion. En effet, l’étape ultérieure à l’étape 200 de mise à jour des zéros, et qui est décrite ultérieurement, a pour effet de diminuer encore le gain du filtre numérique à la fréquence F_T, de sorte qu’il est possible de réaliser un compromis entre l’amplitude du mode de torsion, le gain du filtre à l’issu de l’étape 200 et la longueur de l’intervalle le.
[0097] On comprend donc que les étapes 100 et 200 visent essentiellement à
paramétrer le filtre numérique pour calibrer son gain autour de la fréquence F_T, le calibrage de la phase et du gain sur le reste du spectre fréquentiel, et notamment sur la bande passante de la boucle fermée, étant réalisé
ultérieurement.
[0098] A cet effet, le procédé de paramétrage comporte une étape 300 de
détermination de nombres réels formant des pôles de D(z). Le fait de rechercher les pôles de D(z) sous la forme de nombre réels permet de garantir le
comportement amorti du filtre.
[0099] Ladite étape 300 est réalisée sous contraintes, à savoir que les pôles de D(z) sont déterminés de sorte que, dans la bande passante de la boucle :
- la phase du filtre satisfait un gabarit de phase prédéterminé en fonction de la fréquence F_E,
- le gain du filtre satisfait un second gabarit de gain prédéterminé en fonction de la valeur V.
[0100] Cette étape 300 vise donc à placer les pôles de D(z) de sorte à contrôler l’évolution de la phase du filtre sur la bande passante de la boucle de contrôle, ce qui permet in fine de contrôler la phase du filtre sur l’ensemble du spectre fréquentiel envisagé (zones A, B et C). En outre, le fait de contraindre également le gain du filtre de la sorte dans la bande passante de la boucle permet de garantir que l’information utile contenue dans les signaux de commande puisse continuer à être acheminée vers les actionneurs du turbomoteur 1 sans atténuation. [0101 ] Dans un mode préféré de mise en œuvre, les pôles de D(z) sont considérés tous égaux entre eux. Le fait de considérer les pôles tous égaux entre eux permet d’obtenir un compromis avantageux entre la complexité du paramétrage (et donc alors le temps de calcul et les moyens de calcul nécessaires) et la précision du comportement du filtre. Il convient néanmoins de noter que le choix de pôles tous égaux entre eux ne constitue qu’une variante d’implémentation de l’invention. Par exemple, les pôles réels peuvent être déterminés de sorte à être tous distincts entre eux, ou bien encore de sorte que seuls certains pôles soient égaux entre eux.
[0102] Dans un mode particulier de mise en œuvre, l’étape 300 de détermination des pôles de D(z) comporte :
- une sous-étape de sélection d’un pôle strictement compris entre -1 et 1 ,
- une sous-étape de translation du pôle sélectionné le long de l’axe réel et selon un pas prédéterminé, de sorte à obtenir un pôle translaté.
[0103] La sous-étape de translation est ensuite itérée tant que le gabarit de phase et le second gabarit de gain ne sont pas satisfaits. Afin de réaliser une telle itération, le pôle sélectionné lors d’une itération correspond au pôle translaté obtenu lors de l’itération précédente.
[0104] Par exemple, ledit pas de translation selon l’axe réel est fixé égal à 0,01 dans le sens des réels décroissants. De cette manière, et lors d’une première itération de la sous-étape de translation, le pôle est égal à 0,89 si le pôle initialement sélectionné est égal à 0,9. On comprend en outre que si la sous-étape de translation est itérée par exemple cinq fois, le pôle obtenu à l’issue de l’étape 300 sera égal à 0,85 si le tout premier pôle sélectionné est égal à 0,9.
[0105] Rien n’exclut cependant, suivant d’autres exemples non détaillés ici, de
considérer un pas supérieur ou inférieur à 0,01 , ainsi qu’une translation dans le sens des réels croissants. Typiquement, le sens de translation dépend de la position du pôle initialement sélectionné par rapport aux bornes -1 et 1. Rien n’exclut non plus d’avoir un sens de translation le long de l’axe réel qui change entre au moins deux itérations, par exemple dans le cas où le sens de translation est déterminé au moyen d’un algorithme d’optimisation visant à optimiser une fonction coût prédéterminée en fonction de la fréquence F_E et de la valeur V. [0106] Le fait de déterminer le pôle de D(z) par itération de translations permet d’obtenir un bon compromis entre le temps de calcul et la complexité du paramétrage.
[0107] Toutefois, il faut noter que cette manière de procéder ne constitue qu’une variante d’implémentation de l’invention. Ainsi, selon des considérations similaires à celles décrites ci-avant dans le cas de l’étape 200, la détermination du pôle de D(z) peut être réalisée au moyen d’un algorithme d’optimisation, par exemple un algorithme d’optimisation de forme. Un tel algorithme d’optimisation accroît néanmoins la complexité de l’étape 300.
[0108] A titre d’exemple nullement limitatif, le gabarit de phase correspond à une majoration du déphasage introduit par le filtre sur la zone A, qui correspond à la bande passante de la boucle fermée. Par exemple, cette majoration correspond à un multiple prédéterminé du produit de la période 1/F_E par la pulsation maximale délimitant la zone A.
[0109] Le fait de majorer le déphasage dans la bande passante de la boucle permet d’éviter une distorsion trop importante de la phase au cours du contrôle du fonctionnement du turbomoteur 1. Dit autrement, procéder de la sorte permet avantageusement de ne pas déstabiliser la boucle de contrôle existante, en limitant les effets de déphasage introduits, étant entendu que tout traitement numérique génère nécessairement des effets sur la phase.
[01 10] En outre, le fait de normaliser le gain du filtre permet de ne pas impacter le gain de la boucle fermée à basse fréquence.
[01 1 1 ] Dans un mode préféré de mise en oeuvre, le numérateur D(z) est paramétré de sorte à être de degré égal à 3. Ce choix permet avantageusement de répondre au besoin tout en limitant la complexité du filtre. Il convient toutefois de noter que ce choix ne constitue qu’une variante d’implémentation de l’invention. Par exemple, D(z) peut être paramétré de sorte à être de degré strictement supérieur à 3, par exemple égal à 5, dès lors que la contrainte selon laquelle le filtre est causal est respectée.
[01 12] La figure 5 représente schématiquement un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de paramétrage, dans lequel ledit procédé comporte à la suite de l’étape 300 de détermination de nombres réels formant des pôles de D(z), une étape 400 de validation du comportement temporel du filtre numérique. Par « validation du comportement temporel », on fait référence ici au fait de vérifier que la sortie du filtre numérique suit dans le temps un comportement attendu en réponse à un signal d’entrée connu.
[0113] Autrement dit, l’étape 400 de validation permet de s’assurer que le filtre
numérique paramétré selon l’invention ne présente pas de comportement inadapté.
[0114] Dans ledit mode préféré de mise en oeuvre, ladite étape 400 de validation consiste à vérifier que la réponse temporelle du filtre à un signal échelon
(fonction de Heaviside) est monotone croissante. Une telle étape de vérification correspond à l’étude de la réponse indicielle du filtre numérique. Elle n’est donc pas détaillée ici plus avant. Il est uniquement précisé que le comportement temporel du filtre est effectivement validé lorsque ladite réponse temporelle est monotone croissante.
[0115] Une fois l’étape 400 de validation terminée, et lorsque le comportement
temporel du filtre paramétré n’est finalement pas satisfaisant, l’étape 300 de détermination des pôles de D(z) et l’étape 400 de validation sont itérées tant que le comportement du filtre numérique n’est pas validé. Autrement dit, les pôles de D(z) sont réajustés. Pour réajuster les pôles de D(z), on peut par exemple exécuter l’étape 300 en choisissant des pôles réels tous identiques, mais pour lesquels le premier pôle sélectionné avant toute translation diffère de celui sélectionné lors de la première mise en oeuvre du procédé ayant conduit au filtre dont le comportement n’est pas satisfaisant.
[0116] Les figures 6A, 6B, 7A, 7B, 8A, 8B représentent les évolutions respectives du gain (figures 6A, 7A, 8A) et de la phase (figures 6B, 7B, 8B) du filtre numérique obtenu étape par étape lors d’un exemple de mise en oeuvre dudit procédé de paramétrage.
[0117] Dans cet exemple de mise en oeuvre, les fréquences F_E et F_T sont
respectivement égales à 50 Hz et 7 Hz. L’intervalle le correspond ici à [6,5 Hz,
7,5 Hz], et la valeur V est prise égale à 0 dB. En outre, la fonction de transfert du filtre est recherchée sous la forme d’un quotient N(z) / D(z), où N est de degré 2 et D est de degré 3 avec des pôles tous égaux entre eux. [0118] La figure 6A représente schématiquement l’évolution fréquentielle du gain du filtre numérique à l’issu de l’étape 100 de calcul du procédé de paramétrage. Tel qu’illustré sur la figure 6A, le gain augmente considérablement, en valeur absolue, au niveau de la fréquence F_T, ce qui correspond bien au
comportement attendu pour l’atténuation ciblée.
[0119] La figure 6B représente schématiquement, quant à elle, l’évolution
fréquentielle de la phase du filtre numérique à l’issu de l’étape 100 de calcul du procédé de paramétrage. Tel qu’illustré dans la figure 6B, la phase du filtre n’est à ce stade pas encore maîtrisée puisqu’elle augmente au-delà de 180° pour des fréquences supérieures à la fréquence F_T.
[0120] On note que les zéros de N(z) déterminés à l’issue de l’étape 100 sont égaux respectivement à 0,637+1*0,771 et 0,637 - i*0,771.
[0121 ] On note également que les figures 6A et 6B ont été obtenues par simulation du comportement du filtre numérique, grâce au dispositif de paramétrage.
[0122] Les figures 7A et 7B correspondent aux mises à jour respectives des figures 6A et 6B, une fois l’étape 200 de mise à jour des zéros effectuée.
[0123] Comme on peut le constater dans la figure 7A, le gain du filtre numérique a diminué, en valeur absolue, au voisinage de la fréquence F_T, plus
spécifiquement dans l’intervalle le. Il n’en reste pas moins que ce gain reste, en valeur absolue, supérieur à l’amplitude du mode de torsion.
[0124] La phase, quant à elle, et telle qu’illustrée dans la figure 7B, n’a quasiment pas évolué.
[0125] Par ailleurs, les zéros mis à jour et associés au cas des figures 7A et 7B
valent respectivement 0,606+i*0,732 et 0,6064*0,732. On constate donc bien une diminution du module par rapport au zéros obtenus à l’issue de l’étape 100 et associés aux figures 6A et 6B.
[0126] Les figures 8A et 8B correspondent aux mises à jour respectives des figures 7A et 7B, une fois l’étape 300 de détermination des pôles effectuée. On note qu’à l’issue de l’étape 300, les pôles sont déterminés tous égaux à 0,5.
[0127] Comme on peut le constater dans la figure 8A, le gain du filtre numérique a augmenté, en valeur absolue, au voisinage de la fréquence F_T, plus spécifiquement dans l’intervalle le. On dispose donc d’une très forte atténuation ciblée sur le mode de torsion de la ligne de transmission de puissance. En outre, le gain reste inférieur à 0 dB dans la bande passante, ce qui signifie que le filtre numérique modifie très faiblement le signal de commande à basse fréquence.
[0128] La phase, quant à elle, et telle qu’illustrée dans la figure 8B, reste comprise, en valeur absolue, entre 0° et 180° sur l’ensemble du spectre fréquentiel envisagé (zones A, B et C), ce qui permet d’éviter tout effet de bord lors de l’exécution de la boucle de contrôle, comme par exemple un déphasage trop important pouvant mener à une inversion du signal de commande.
[0129] D’une manière générale, l’invention reste bien entendu applicable pour un mode de torsion positionné non pas dans la zone B mais également dans la zone A ou bien la zone C.
[0130] L’invention permet donc avantageusement de paramétrer un filtre numérique pour atténuer efficacement le mode de torsion de la ligne de transmission de puissance autour de la fréquence dudit mode de torsion, sans dégrader le gain de la boucle de contrôle préexistante sur le reste du spectre fréquentiel, en limitant les effets de déphasage introduits, et sans qu’aucun comportement temporel indésirable ne soit introduit dans la logique de régulation préexistante. En outre, le procédé de paramétrage permet d’obtenir un filtre numérique très efficace d’ordre raisonnable, typiquement inférieur à 5, par exemple égal à 3, ce qui est compatible avec une implémentation temps réel dans la logique de régulation préexistante.
[0131 ] Enfin, il y a lieu de noter qu’une fonction de transfert associée à un filtre
numérique paramétré selon l’invention s’implémente aisément dans un logiciel de régulation préexistant. A cet effet, l’homme du métier a accès à des bibliothèques de fonctions lui permettant de générer un tel filtre numérique en sortie du dispositif de commande 22 de la boucle de contrôle.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de paramétrage d'un filtre numérique pour
l'atténuation d'un mode de torsion d'une ligne de transmission de puissance d'un turbomoteur (1) d'aéronef, ledit mode étant associé à une fréquence F_T comprise dans un intervalle de confiance le,
le filtre numérique étant de type passe-bas et :
- comprenant une fonction de transfert en z causale, stable et égale au quotient N(z) / D(z), où N et D sont des fonctions polynomiales, N étant de degré strictement supérieur à 1,
- destiné à être intégré dans une boucle de contrôle préexistante du turbomoteur (1), de sorte à filtrer des signaux de commande générés par un dispositif de commande (22) de ladite boucle et échantillonnés à une fréquence F_E, ladite boucle étant fermée et associée à une bande passante dans laquelle le gain de la boucle est majoré, en valeur absolue, par une valeur V,
ledit procédé étant mis en œuvre par un dispositif de paramétrage et comportant :
- une étape (100) de calcul, en fonction des fréquences F_T et F_E, de nombres complexes formant des zéros de N(z), de sorte que le filtre atténue la fréquence F_T,
- une étape (200) de mise à jour des zéros de N(z), de sorte que le gain du filtre satisfasse, dans l'intervalle de confiance le, un premier gabarit de gain prédéterminé en fonction de l'amplitude du mode de torsion,
- une étape (300) de détermination de nombres réels formant des pôles de D(z), de sorte que, dans la bande passante de la boucle :
- la phase du filtre satisfait un gabarit de phase prédéterminé en fonction de la fréquence F_E,
- le gain du filtre satisfait un second gabarit de gain prédéterminé en fonction de la valeur V.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (200) de mise à jour des zéros de N(z) comporte une sous-étape de diminution des modules respectifs des zéros selon un pas prédéterminé, la sous-étape de diminution étant exécutée de manière itérative tant que le premier gabarit d'amplitude n'est pas satisfait.
[Revendication 3] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel les pôles de D(z) sont considérés tous égaux entre eux, l'étape (300) de détermination des pôles comportant :
- une sous-étape de sélection d'un pôle strictement compris entre -1 et 1,
- une sous-étape de translation du pôle sélectionné le long de l'axe réel et selon un pas prédéterminé, de sorte à obtenir un pôle translaté,
ladite sous-étape de translation étant exécutée de manière itérative tant que le gabarit de phase et le second gabarit de gain ne sont pas satisfaits, le pôle sélectionné lors d'une itération correspondant au pôle translaté obtenu lors de l'itération précédente.
[Revendication 4] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le premier gabarit de gain correspond à une majoration, dans l'intervalle de confiance le, de la valeur du gain par l'opposé de l'amplitude du mode de torsion.
[Revendication 5] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le gabarit de phase correspond à une majoration du déphasage introduit par le filtre dans la bande passante de la boucle fermée.
[Revendication 6] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le degré de N(z) est égal à 2, de sorte à obtenir, lors de l'étape (100) de calcul, des zéros z_l et z_2 selon la formulation suivante :
z_l=exp((2xixnxF_T)/F_E) et z_2=exp((-2xixnxF_T)/F_E).
[Revendication 7] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le degré de D(z) est égal à 3.
[Revendication 8] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la fréquence F_T et l'intervalle de confiance le sont préalablement déterminés lors d'une campagne de tests sur banc d'essai du comportement dynamique de la ligne de transmission de puissance.
[Revendication 9] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, ledit procédé comportant, à la suite de l'étape (300) de détermination de nombres réels formant des pôles de D(z), une étape (400) de validation du comportement temporel du filtre numérique, ladite étape (400) de validation consistant à vérifier que la réponse temporelle du filtre à un signal échelon est monotone croissante,
l'étape (300) de détermination des pôles de D(z) et l'étape (400) de validation étant itérées tant que le comportement du filtre numérique n'est pas validé.
[Revendication 10] Système de contrôle (20) destiné à être embarqué dans un aéronef comportant un turbomoteur (1), ledit turbomoteur (1) comprenant une ligne de transmission de puissance présentant un mode de torsion associé à une fréquence F_T comprise dans un intervalle de confiance le, ledit système (20) comportant des moyens de réception (21) d'une consigne relative à un paramètre prédéterminé, un dispositif de commande (22) configuré pour générer des signaux de commande échantillonnés à une fréquence FE et des moyens de mesure (23) dudit paramètre, ledit système de contrôle (20) formant une boucle fermée de contrôle associée à une bande passante dans laquelle le gain est majoré, en valeur absolue, par une valeur V, ledit système étant caractérisé en ce que la boucle de contrôle comporte un filtre numérique paramétré au moyen d'un procédé conforme à l'une quelconques des revendications 1 à 9, ledit filtre numérique étant intégré dans ladite boucle de sorte à filtrer les signaux de commande.
[Revendication 11] Programme d'ordinateur comportant un ensemble
d'instructions de code de programme qui, lorsqu'elles sont exécutées par un processeur, configurent ledit processeur pour mettre en œuvre un procédé de paramétrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
[Revendication 12] Support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur selon la revendication 11.
[Revendication 13] Dispositif de paramétrage d'un filtre numérique, ledit filtre étant destiné à atténuer un mode de torsion d'une ligne de transmission de puissance d'un turbomoteur (1) d'aéronef, ledit mode étant associé à une fréquence F_T comprise dans un intervalle de confiance le, le filtre numérique étant de type passe-bas et :
- décrit par une fonction de transfert en z causale, stable et égale au quotient N(z) / D(z), où N et D sont des fonctions polynomiales, N étant de degré strictement supérieur à 1,
- destiné à être intégré dans une boucle de contrôle préexistante du turbomoteur (1), de sorte à filtrer des signaux de commande générés par un dispositif de commande (22) de ladite boucle et échantillonnés à une fréquence F_E, ladite boucle étant fermée et associée à une bande passante dans laquelle le gain de la boucle est majoré, en valeur absolue, par une valeur V,
ledit dispositif comportant :
- un module de calcul, configuré pour calculer, en fonction des fréquences F_T et F_E, des nombres complexes formant des zéros de N(z), de sorte que le filtre atténue la fréquence F_T,
- un module de mise à jour, configuré pour mettre à jour les zéros de N(z), de sorte que le gain du filtre satisfasse, dans l'intervalle de confiance le, un premier gabarit de gain prédéterminé en fonction de l'amplitude du mode de torsion,
- un module de détermination, configuré pour déterminer des nombres réels formant des pôles de D(z), de sorte que, dans la bande passante de la boucle
- la phase du filtre satisfait un gabarit de phase prédéterminé en fonction de la fréquence F_E,
- le gain du filtre satisfait un second gabarit de gain prédéterminé en fonction de la valeur V.
[Revendication 14] Aéronef comportant un turbomoteur, ledit turbomoteur comprenant une ligne de transmission de puissance présentant un mode de torsion associé à une fréquence F_T comprise dans un intervalle de confiance le, ledit aéronef comportant en outre un système de contrôle selon la revendication 10.
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