Modélisation commande et observation des systèmes mécaniques hamiltoniens PDF Download
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Book Description
Les systèmes mécaniques constituent une part importante des applications de l'automatique. De plus, leur intérêt a connu un développement considérable depuis l'avènement de la robotique. Les modèles mathématiques de ces systèmes sont des équations différentielles tirées des équations d'Euler-Lagrange ou de Hamilton-Jacobi. Ceux-ci ont la propriété d'être affine en le vecteur de commande, celui-ci étant constitué des forces ou couples extérieurs appliqués au procédé. De tels systèmes ont déjà été largement étudiés à l'aide des outils géométriques de la géométrie différentielle. Notre travail présente, dans sa première partie, les techniques de modélisation et propriétés des systèmes mécaniques, en les appliquant à un exemple concret. On rappelle ensuite les critères d'observabilité et de commandabilité avec leurs spécificités dans le cas des systèmes mécaniques. Différentes lois de commande sont alors étudiées et comparées à l'aide de simulations numériques. Enfin, on étudie plusieurs types d'observateurs pour systèmes mécaniques, dans le but d'obtenir une estimation des vitesses, car leur connaissance est impérative pour construire une commande par retour d'états.
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Les systèmes mécaniques constituent une part importante des applications de l'automatique. De plus, leur intérêt a connu un développement considérable depuis l'avènement de la robotique. Les modèles mathématiques de ces systèmes sont des équations différentielles tirées des équations d'Euler-Lagrange ou de Hamilton-Jacobi. Ceux-ci ont la propriété d'être affine en le vecteur de commande, celui-ci étant constitué des forces ou couples extérieurs appliqués au procédé. De tels systèmes ont déjà été largement étudiés à l'aide des outils géométriques de la géométrie différentielle. Notre travail présente, dans sa première partie, les techniques de modélisation et propriétés des systèmes mécaniques, en les appliquant à un exemple concret. On rappelle ensuite les critères d'observabilité et de commandabilité avec leurs spécificités dans le cas des systèmes mécaniques. Différentes lois de commande sont alors étudiées et comparées à l'aide de simulations numériques. Enfin, on étudie plusieurs types d'observateurs pour systèmes mécaniques, dans le but d'obtenir une estimation des vitesses, car leur connaissance est impérative pour construire une commande par retour d'états.
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Les systèmes mécaniques constituent une part importante des applications de l'automatique. De plus, leur intérêt a connu un développement considérable depuis l'avènement de la robotique. Les modèles mathématiques de ces systèmes sont des équations différentielles tirées des équations d'Euler-Lagrange ou de Hamilton-Jacobi. Ceux-ci ont la propriété d'être affine en le vecteur de commande, celui-ci étant constitué des forces ou couples extérieurs appliqués au procédé. De tels systèmes ont déjà été largement étudiés à l'aide des outils géométriques de la géométrie différentielle. Notre travail présente, dans sa première partie, les techniques de modélisation et propriétés des systèmes mécaniques, en les appliquant à un exemple concret. On rappelle ensuite les critères d'observabilité et de commandabilité avec leurs spécificités dans le cas des systèmes mécaniques. Différentes lois de commande sont alors étudiées et comparées à l'aide de simulations numériques. Enfin, on étudie plusieurs types d'observateurs pour systèmes mécaniques, dans le but d'obtenir une estimation des vitesses, car leur connaissance est impérative pour construire une commande par retour d'états.
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Ce travail de thèse concerne l'étude des systèmes mécaniques décrits par des modèles non linèaires à temps continu. Plus particulièrement, ce travail porte sur la commande globale de poursuite d'une certaine classe de systèmes Euler-Lagrange (EL) et sur la stabilisation uniforme des systèmes mécaniques non holonomes. Dans un premier temps, on présente un contrôleur global de poursuite par retour dynamique de sortie d'une certaine classe de système EL, dont de nombreuses applications font l'objet. La nouveauté de notre approche est que la conception de la loi de commande et de l'observateur est basée sur un nouveau modèle, linéaire par rapport aux variables non mesurées. Il s'agit d'un modèle dit non minimal, puisqu'il contient plus de variables d'état que nécessaire. Ce modèle est élaboré pour les robots manipulateurs à articulations flexibles. On démontre également que ce modèle reste valable pour n'importe quel système physique à nombre fini de degrés de liberté et soumis à des contraintes mécaniques. Dans une autre contribution de cette thèse, on résout le problème de la stabilisation globale et uniforme des systèmes non holonomes en forme chaîne de dimension arbitraire, au moyen d'un retour variant dans le temps et lisse. L'étude de stabilité de ce problème de commande est inspirée de la théorie de commande adaptative et les résultats sont formulés en termes d'une nouvelle formulation de l'excitation persistante, un concept bien connu dans la littérature de la commande adaptative depuis plusieurs années.
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CE TRAVAIL SE PROPOSE D'ETUDIER DES OUTILS PERMETTANT DE MODELISER ET D'IDENTIFIER DES SYSTEMES MECANIQUES NON LINEAIRES. NOUS CONSIDERONS AU DEPART DES NON-LINEARITES ANALYTIQUES. LA THEORIE DE LA FORME NORMALE SERA UN OUTIL PRIVILEGIE DE CETTE ETUDE. NOUS MONTRERONS COMMENT GRACE A ELLE, NOUS POUVONS RETROUVER LES RESULTATS CLASSIQUES OBTENUS AILLEURS PAR D'AUTRES METHODES ANALYTIQUES OU NUMERIQUES: LIEN ENTRE FREQUENCE ET CONDITIONS INITIALES, PRISE EN COMPTE DES RESONANCES, DEFINITIONS DE NOMBREUSES FAMILLES DE MODES NON LINEAIRES (DES MODES NORMAUX NON LINEAIRES (NNM), DES MODES NORMAUX A L'UNISSON (SNM)...) ANALYSE DE LEUR STABILITE PAR LA TRANSFORMATION DE POINCARE, ANALYSE DES PHENOMENES DE BIFURCATION SERONT POSSIBLES POUR DES SYSTEMES AUTONOMES A NOMBRE FINI DE DEGRES DE LIBERTE, DANS UN CADRE HAMILTONIEN OU PLUS GENERAL. LE CALCUL NUMERIQUE EFFECTIF DE SOLUTIONS PERIODIQUES SERA MENE POUR DES SITUATIONS NON REGULIERES: EQUATIONS AVEC RETARD, EQUATIONS AVEC DISCONTINUITES. LE PROBLEME DU CALCUL APPROCHE ET DE LA GESTION DE L'ERREUR SERA ABORDE AVEC LE PROBLEME DES GRANDES AMPLITUDES. NOUS VERRONS ENSUITE COMMENT L'ON PEUT PRENDRE EN COMPTE L'AMORTISSEMENT ET LES PHENOMENES DE FORCING PERIODIQUE D'UN SYSTEME DISCRET. NOUS GENERALISERONS LA SYNTHESE MODALE AU CAS DE STRUCTURES NON LINEAIRES DE FACON NATURELLE. NOUS TRAITERONS LE CAS D'EXCITATIONS PARAMETRIQUES DE TELS SYSTEMES, EN METTANT EN AVANT LE TRAITEMENT DES EQUATIONS DE MATHIEU, ET DE HILL. NOUS INTRODUISONS ENSUITE LA NOTION DE MODES COMPLEXES NON LINEAIRES. LA TRANSFORMATION NORMALE SERA ADAPTEE AU TRAITEMENT D'EQUATIONS AUX DERIVEES PARTIELLES DE LA MECANIQUE (EQUATION DE POUTRES VIBRANTES, VIBRATION DE PLAQUES SELON LE MODELE DE VON KARMAN); NOUS PROPOSERONS D'UTILISER CET OUTIL POUR MODELISER LES PHENOMENES NON LINEAIRES SUR DES SYSTEMES CONNUS, APRES UTILISATION DES TECHNIQUES DE DISCRETISATION OU NOUS TENTERONS UNE APPROCHE DE LA THEORIE DE LA FORME NORMALE DIRECTEMENT SUR LES EQUATIONS AUX DERIVEES PARTIELLES MODELISANT LA STRUCTURE. NOUS EVOQUERONS POUR TERMINER LES COMPORTEMENTS COMPLEXES DE SYSTEMES DISCRETS A PETIT NOMBRE DE DEGRES DE LIBERTE, ET NOUS MONTRERONS QUE SI LA TRANSFORMATION NORMALE EST UN OUTIL ADAPTE A LA DESCRIPTION (DE TRANSITIONS VERS DES COMPORTEMENTS COMPLEXES) A LA CONSTRUCTION DE GRANDEURS INTRODUISANT UNE MANIERE D'ORDRE DANS CES COMPORTEMENTS COMPLEXES (EXPOSANTS DE LYAPUNOV, NOMBRE DE ROTATION) D'UN POINT DE VUE THEORIQUE, LE CALCUL EFFECTIF DES CYCLES DANS LA TRANSITION EST BIAISE PAR LE PROBLEME POSE PAR LE CALCUL EN GRANDES AMPLITUDES. NOUS PROPOSONS ALORS DES METHODES NUMERIQUES ET L'ETUDE D'EXEMPLES SIMPLES D'OSCILLATEURS DANS L'OPTIQUE DE LA CONTROLABILITE DE SYSTEMES CHAOTIQUES. NOUS SIGNALERONS L'EXISTENCE DE TRAVAUX PERMETTANT D'OUVRIR UNE VOIE VERS LA CONSTRUCTION DE LA THEORIE DANS LE CAS D'EXCITATIONS ALEATOIRES OU DISCONTINUES. TOUT AU LONG DE CE TRAVAIL DES ELEMENTS DE COMPARAISON AVEC DES METHODES TANT ANALYTIQUES QUE NUMERIQUES, PERMETTRONT UN PASSAGE EN REVUE DE NOMBREUSES METHODES UTILES DANS L'ETUDE DE SYSTEMES MECANIQUES DYNAMIQUES ET NON LINEAIRES. NOUS SIGNALERONS LES PERSPECTIVES DE DEVELOPPEMENT DE CE TRAVAIL
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Une formulation hamiltonienne à ports des écoulements unidimensionnels à surface libre modélisés par les équations de Saint-Venant a été proposée. Des propriétés intéressantes telles que la passivité et la conservation d'énergie découlent naturellement de cette formulation. En utilisant des méthodes de réduction type éléments finis mixtes un modèle hamiltonien à port réduit à été obtenu. Cette réduction dites géométrique à permis de conserver les propriétés dynamiques qualitatives du modèle d'origine. On a montré aussi que le modèle réduit possède des propriétés spectrales et entrées-sorties proches du modèle d’origine. Des lois de commande, permettant de réguler le débit et la hauteur d’eau, ont été synthétisées sur le modèle réduit en utilisant la méthode IDA-PBC et de modelage d’énergie. L’approche de modelage d’énergie à été généralisée sur le modèle en dimension infinie. Des résultats de simulation ainsi que des résultats expérimentaux obtenus sur un micro-canal expérimental ont permis de valider les lois de commande.
Author: Ahmed Baaiu Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 188
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L'objectif de ce travail est de développer une approche géométrique pour la modélisation des phénomènes de transfert de matière dans un procédé de séparation. Cette approche est basée sur la modélisation hamiltonienne des systèmes, par conséquent sur l'expression de l'énergie dans le système et les flux énergétiques entre les différents phénomènes apparaissant au sein d'un tel système (dissipation, accumulation, conversion). Pour cela, nous avons proposé le choix des variables nécessaires pour élaborer la modélisation structurée (systèmes à ports) des systemes de transfert de matière dans le cas isotherme et non isotherme. Nous avons mis en évidence une structure géométrique, structure de Stokes-Dirac, reliant les différents phénomènes énergétiques dans le système. Afin de simuler la dynamique des modèles nous présentons une méthode originale pour la discrétisation de la structure de Stokes-Dirac ainsi que pour les différents composants du modèle
Author: Flávio Luiz Cardoso-Ribeiro Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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This thesis is motivated by an aeronautical issue: the fuel sloshing in tanksof very flexible wings. The vibrations due to these coupled phenomena can lead to problemslike reduced passenger comfort and maneuverability, and even unstable behavior. Thisthesis aims at developing new models of fluid-structure interaction based on the theory ofport-Hamiltonian systems (pHs). The pHs formalism provides a unified framework for thedescription of complex multi-physics systems and a modular approach for the coupling ofsubsystems thanks to interconnection ports. Furthermore, the design of controllers using pHsmodels is also addressed. PHs models are proposed for the equations of liquid sloshing based on 1D and 2D SaintVenant equations and for the equations of structural dynamics. The originality of the workis to give pHs models of sloshing in moving containers. The interconnection ports are used tocouple the sloshing dynamics to the structural dynamics of a beam controlled by piezoelectricactuators. After writing the partial differential equations of the coupled system using thepHs formalism, a finite-dimensional approximation is obtained by using a geometric pseudospectralmethod that preserves the pHs structure of the infinite-dimensional model at thediscrete level. The thesis proposes several extensions of the geometric pseudo-spectral method,allowing the discretization of systems with second-order differential operators and with anunbounded input operator. Experimental tests on a structure made of a beam connected to atank were carried out to validate both the pHs model of liquid sloshing in moving containersand the pseudo-spectral semi-discretization method. The pHs model was finally used to designa passivity-based controller for reducing the vibrations of the coupled system.
Author: Thierry Chorot
Author: Thierry Chorot
Author: Thierry Chorot
Author: Bernard Pradin
Author: Khoder Melhem
Author: Marc Renaud
Author: Claude-Henri Lamarque
Author: Marc Renaud
Author: Boussad Hamroun
Author: Ahmed Baaiu
Author: Flávio Luiz Cardoso-Ribeiro