Contrôle actif par composants piézo-électriques de structures souples en grands déplacements

par Stéphane Bochard

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Michel Lalanne.

Soutenue en 2002

à Villeurbanne, INSA .


  • Résumé

    Lorsque les structures vibrantes sont soumises à de grands déplacements, leur comportement dynamique peut être fortement non linéaire et présente un couplage vibrations/grands déplacements. Une commande linéaire et une stratégie de contrôles indépendants ne sont pas plus adaptés. L'étude développée traite du contrôle non linéaire de structures bi-articulées. Une modélisation fine est réalisée. Elle lie les éléments finis, où le couplage déformations/champ électrique est pris en compte, et les grands déplacements. Le contrôle est réalisé par des actionneurs électromécaniques et piézo-électriques. La stratégie de contrôle MIMO développée consiste à pondérer à chaque instant la commande de contrôleurs fonctionnant en parallèle, calculés pour des points de fonctionnement traversés au cours du mouvement. La commande multivariable est obtenue en pondérant par interpolation les commandes linéaires quadratiques de chaque contrôleur optimisé, en fonction des grands déplacements. Les simulations de la première application : une structure bi-articulée rigide, ont montré que le contrôle non-linéaire est bien plus efficace qu'un contrôle linéaire, l'utilisation des couples moteurs étant meilleure. La seconde application du contrôle non linéaire proposé concerne une structure bi-articulée flexible. Dans un premier temps, une poutre instrumentée d'un actionneur piézo-électrique bimorphe et de deux capteurs piézo-électriques est réalisée. Le modèle associé est recalé de façon optimisée. Les contrôles de la poutre encastrée, puis articulée sur un motoréducteur sont performants. Les résultats issus des simulations et de l'expérimentation sont en bon accord. Le contrôle non linéaire de structure bi-articulée flexible modélisée par deux modes de corps rigides et cinq flexibles est simulé. Il s'avére robuste en stabilité et performance. Grâce à ce type de contrôle, la dynamique globale est maintenue quasi-constante au cours du mouvement, malgré l'évolution de la géométrie de la structure


  • Résumé

    When vibrating structures are subjected to large displacements, coupling may occur between the vibrations and the displacements inducing possibly strongly non-linear behaviour. In this case, linear control algorithms and independent control strategy are no longer suitable. This study deals with the non-linear control of Bi-articulated structures. A model that combines both finite element (FE) discretisation, taking into account strains/electric field coupling, and global behaviour is carried out. Electromechanical and piezoelectric actuators carry out the multivariable control. The control strategy developed consists in weighting the output of parallel state controllers, calculated for the p discretized operating points crossed during the progression of the structure’s dynamic behaviour. The multivariable control u is obtained by weighting interpolation functions fi of the linear quadratic control gains Ki of each controller optimised according to large displacements. The first application to Bi-articulated rigid beam systems shows, in comparison with a stable linear control, that non-linear control is by far the better of the two. This is mainly due to increased efficiency of motor torque use. The second application of the proposed non-linear control algorithm concerns a Bi-articulated flexible beam system modelled by two rigid body modes and five flexible modes. The control obtained is robust regarding both stability and performance. Quasi-steady controlled dynamic behaviour is obtained during movement. The last application deals with a flexible link featuring two piezoelectric sensors and one pair of the piezoelectric actuators pasted to the both sides of the beam. The associated model is adjusted by optimisation. The control of the beam, clamped-free or articulated by the geared motor, shows performance. The simulated results accords with the experimental ones.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (213 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.203-208

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2676)
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