EMN - École des Mines de Nantes

Contexte

L’ingénierie système (cf. http://www.afis.fr) est désormais identifiée par les entreprises comme cruciale quant à leur capacité à réussir le développement d’équipements ou systèmes, technologiques notamment, des plus simples aux plus complexes. Le génie automatique peut et doit jouer un rôle essentiel dans ce contexte. L’Unité de Valeur commande et optimisation des systèmes vise à doter l’étudiant d’une véritable méthodologie de conception et de commande des systèmes technologiques. Elle est un enseignement central de l’option, en interaction forte avec les deux autres UV scientifique et technique du semestre.

Le développement de systèmes technologiques repose nécessairement sur une approche multidisciplinaire, qui pourra être guidée par l’approche système proposée ici, et par l’ingénieur qui en est dépositaire. Qu’ils soient mécaniques (e.g. robot au sens large), thermiques (e.g. moteur à explosion, « chaudière »…), électroniques (e.g. téléphone portable), chimiques ou biologiques (e.g. réacteurs) …, les systèmes peuvent être appréhendés au travers de leur comportement dynamique. Différentes classes de modèles dynamiques seront étudiées à cette fin, qui permettront, selon le degré de précision du modèle considéré, de comprendre, dimensionner, évaluer ou piloter les systèmes technologiques qui seront développés par l’ingénieur AII.

Objectifs

Objectifs généraux

L’UV a pour ambition de doter l’étudiant d’une méthodologie de commande multivariable robuste. Cette méthodologie sera mise en œuvre dans le cadre de travaux pratiques, et « mise à l’épreuve » dans le cadre de projets d’option (projet de spécialité et projet international), qui transformeront des réflexes encore trop scolaires en « savoir-faire ».


La commande multivariable consiste à coordonner différents moyens d’action afin d’assurer le meilleur pilotage du système à contrôler. Elle est incarnée par un régulateur (forme « d’intelligence embarquée »), qui exploite en temps réel les mesures issues des capteurs ainsi que les données stratégiques fournies par l’opérateur, pour élaborer la loi de commande.
Si l’objectif premier de l’UV réside dans conception d’un tel régulateur, elle vise aussi des objectifs intermédiaires non moins importants pour l’ingénieur : simulation, élaboration de modèles simplifiés, en adéquation avec les spécifications de l’étude, de « capteurs logiciels », capables à moindre coût d’extraire l’information pertinente des mesures disponibles ; choix et mise en œuvre d’indicateurs d’analyse des performances d’un système, supports de la démarche de spécification, de certification, ou de « surveillance » (aide au diagnostique) du processus considéré …

Objectifs operationnels

Concrètement, à l’issu de cette UV, l’apprenant saura :
- Faire le distinguo entre modèles de validation et modèles conceptuels ;
- Simuler et analyser la sensibilité paramétrique d’un modèle ;
- Simplifier un modèle dynamique en visant une complexité juste nécessaire ;
- Analyser la qualité d’un asservissement ;
- Concevoir des « capteurs logiciels », permettant de construire (en temps réel) l’information pertinente à partir des informations disponibles (filtre et observateurs);
- Concevoir l’asservissement d’un système temps réel, fut-il mono ou multivariable, linéaire ou non;
- Optimiser le comportement global d’un système automatisé.

Ces connaissances et savoir-faire sont connexes de celles développées dans le cadre des UV Mécatronique II et Modélisation des systèmes (UV de l’option AII).

Competences requises

Compétences requises

Explicitement, l’étudiant devra posséder a minima les connaissances suivantes :
- Transformées de Fourier, Laplace, en Z, …
- Critères d’analyse de la qualité (performance et robustesse) d’un asservissement monovariable ;
- Synthèse de régulateurs par placement de pôles (approche polynomiale), à temps continu et à temps discret ;
- Commande modale par retour d’état ;
- Théorie des observateurs ;
- Méthodologie de placement de pôles robuste ;
- Simulation (Matlab-Simulink ou équivalent) et implémentation (DSP ou équivalent) de correcteurs monovariables et d’observateur à temps discret.

Unites de valeurs cibles

Codes UVs cibles

- Contrôle commande des systèmes I, ST107CS (cours asservissement avancé et base de traitement du signal notamment) ;
- Contrôle commande des systèmes II, ST208CS (cours Automatique commande et régulation et traitement numérique du signal notamment)
- Mécatronique I, ST308ME (cours d’analyse numérique et de robotique notamment)

Les fondements de la commande (formalisme mathématique et savoir-faire dans le cadre monovariable) sont au programme des semestres 7 et 8. Ils constituent des requis pour cette UV.

UVs cibles

Projet en Contexte International
Projet de spécialité AII.
UV Mécatronique II
UV Modélisation

Contenu et organisation pedagogique

Contenu de l'UV

L'UV est organisée autour de 4 modules:

MODULE 1 : METHODOLOGIE DE COMMANDE MULTIVARIABLE ROBUSTE
SYSTEMES LINEAIRES MULTIVARIABLES
o LES DIFFERENTES REPRESENTATIONS
o CARACTERISTIQUES PRINCIPALES / PROPRIETES STRUCTURELLES
o DES OUTILS PRECIEUX

ANALYSE D’UN SYSTEME ASSERVI
o STABILITE NOMINALE
o STABILITE ROBUSTE
o ANALYSE DES PERFORMANCES

COMMANDE H2
o OPTIMISATION H2
o COMMANDE PAR RETOUR D’ETAT H2
o COMMANDE H2 PAR RETOUR DYNAMIQUE DE SORTIE
o METHODOLOGIE DE COMMANDE H2 PAR RETOUR D’ETAT RECONSTRUIT

METHODOLOGIE DE COMMANDE MULTIVARIABLE

MODULE 2 : MU-ANALYSE ET OPTIMISATION

MODULE 3 : COMMANDE OPTIMALE ET NON-LINEAIRE
o COMMANDE DANS LE PLAN DE PHASE
o METHODE DU PREMIER HARMONIQUE
o METHODE DE LYAPUNOV
o PRINCIPE D’OPTIMALITE DE BELLMANN

MODULE 4 : SEMINAIRES INDUSTRIELS
o AUTOMATIQUE ET AUTOMOBILE
o AUTOMATIQUE ET AERONAUTIQUE
o ETC.

Activités pédagogiques

Les formes pédagogiques mises en œuvre sont diverses : cours/TD, mais aussi TP, en simulation ou à caractère expérimental (régulation thermique multivariable). Une « joute » est même organisée entre 2 équipes, l’une cherchant le système le plus performant et robuste, l’autre cherchant à mettre en évidence ses faiblesses (avec les outils méthodologiques ad hoc).

La conception et le pilotage des systèmes envisagés ici s’appuient sur des activités de modélisation et de simulation. Différentes classes de modèles peuvent être distinguées. Celle des modèles « linéaires », pour lesquels des méthodes fréquentielles très puissantes s’appliquent, doit être distinguée de celle des modèles non-linéaires.

Supports pédagogiques

Un polycopié est distribué au fil du cours en Méthodologie de commande et des diapositives sont projetés, accompagnés de courts développements au tableau. De même, la copie des diapositives est diffusée en début des cours Automatique et optimisation et commande non-linéaires II.

Critere et mode d'evaluation

Critères d"évaluation

Critères permettant d’évaluer les objectifs initiaux :
- Quiz sur les points clés du cours
- Suivi des exercices de TD sous Matlab-Simulink
- Qualité des développements et analyses en TP
- Qualité de la prestation lors de l’examen final (cours Automatique et Optimisation et commande non linéaire II) ou du travail personnel (miniprojet) en commande non linéaire I.

Un bilan pédagogique est réalisé avec les élèves en fin de semestre.

Conseils aux apprenants :
- Inutile de compter sur un bachotage en fin de module pour cette UV …. Questionner le professeur au début de chaque module sur les zones d’ombre du cours précédent et solliciter des exercices si nécessaire.
- Approfondir les exercices sous Matlab en dehors des séances ; préparer les TP à l’avance.
- Ne pas hésiter à faire part de ses faiblesses. L’objectif est bien d’amener tout le monde à bon port ….

Nombre d'évaluations

4