SOUTENANCE DE THESE
26/06/2015
LE BRUN Christophe 26/06/15 CENTRALESUPELEC à 14h.

SUJET : Étude de la chaîne de régulation d’un moteur d’avion : modélisation et analyse des couplages sur les performances
Multivariable control analysis and system design – Applied to a turboprop engine

Thèse préparée à : CentraleSupélec – Labo : Département Automatique – L2S

Directeur de Thèse GODOY Emmanuel
SOUTENANCE DE THESE AYANT POUR JURY :
(indiquer les noms par ordre alphabétique)
DJEMAI Mohamed
GODOY Emmanuel
KRATZ Frédéric
LIN-SHI Xuefang
MAMMAR Saïd
NOGUERA Ricardo
SCHMITT Thierry

RESUME
Les travaux entrepris au cours de cette thèse ont porté sur la conception de stratégies de commande de systèmes multivariables (outils d’analyse et méthodes de synthèse). La finalité de ces travaux est le développement des lois de commande d’un turbopropulseur.
D’un point de vue fonctionnel, un turbopropulseur est un système multivariable comprenant deux grandeurs de commande : le débit carburant à injecter dans la chambre de combustion et le pas de l’hélice, ainsi que deux grandeurs de sortie : la puissance délivrée par l’hélice et sa vitesse de rotation. Ces variables sont fortement couplées, ce qui signifie que des variations de l’une entraînent des écarts sur l’autre. L’objectif de ces travaux est de synthétiser des lois de commande facilement ajustables, d’une « complexité raisonnable », permettant de respecter des spécifications techniques classiques (temps de réponse, dépassement, erreur statique) et de réduire les couplages. Dans ce contexte industriel, les approches décentralisées sans et avec découplage sont principalement envisagées. La stratégie décentralisée pure met en œuvre un correcteur diagonal, ce qui revient à asservir un système par plusieurs boucles monovariables indépendantes. Bien que relativement facile à synthétiser et à implanter, la stratégie décentralisée ne permet pas d’atteindre les performances souhaitées en présence d’interactions importantes entre les grandeurs asservies. Dans ce cas, il est possible de l’associer à des compensateurs permettant de diminuer les interactions.
Une part importante de ces travaux de recherche concerne le développement méthodologique de ces stratégies. En pratique, les méthodes utilisées sont illustrées et comparées dans une première partie des travaux au moyen d’un modèle multi-cuves.
La détermination d’une stratégie de commande est la première étape. Pour cela, la quantification du niveau d’interaction dans un système se révèle importante. Celle-ci peut être réalisée à l’aide de différentes méthodes et en utilisant différents indicateurs qui s’appuient sur les réponses fréquentielles, indicielles du système, ou encore sur les grammiens de commandabilité et d’observabilité. Une procédure systématique d’analyse des interactions a été proposée afin de déterminer la stratégie de commande la plus adaptée, en fonction des interactions et des performances désirées.
Dans le cas où l’analyse des interactions conduit à adopter une stratégie décentralisée, les régulateurs peuvent être synthétisés à l’aide de méthodes monoboucles ou multiboucles. Les premières ne prennent pas en compte les interactions, tandis que les secondes, plus élaborées mais plus complexes, permettent de les prendre spécifiquement en compte. A la suite de l’analyse de ces méthodes, une démarche récapitulative présentant les méthodes préconisées en fonction du procédé et des objectifs, est finalement proposée.
Dans le cas où l’analyse met en évidence des interactions trop importantes, il est possible d’associer des compensateurs à la régulation décentralisée. Les compensateurs ont pour but de découpler les commandes vis-à-vis des sorties du procédé. Différentes méthodes et structures de découplage ont été étudiées et comparées. Une procédure de découplage, composée des méthodes considérées comme les plus efficaces a finalement été mise en place.
Ces études méthodologiques ont finalement été appliquées au turbopropulseur. Suite à l’analyse des interactions, une stratégie décentralisée avec découplage a été adoptée. L’étude des différentes solutions permettant de découpler le turbopropulseur a conduit à adopter un découpleur inversé, afin de respecter les spécifications relativement strictes en termes de couplages. L’utilisation du découpleur inversé a permis l’utilisation d’une méthode de synthèse monoboucle pour le réglage des correcteurs monovariables. Afin d’optimiser les performances sur l’ensemble du domaine de vol, les lois de commande ont été interpolées par une technique de séquencement de gain. Des analyses structurées de robustesse ont par ailleurs permis de montrer que les lois de commande étaient robustes : des marges de stabilité et du suivi de consigne convenables sont assurées en présence d’incertitudes. Les lois de commande ont finalement été implantées dans le modèle du système de régulation : les études en simulation ont permis de démontrer l’obtention des performances attendues et de valider l’approche utilisée.