La commande robuste pour les applications spatiales ... - LAAS CNRS
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<strong>La</strong> <strong>commande</strong> <strong>robuste</strong> <strong>pour</strong> <strong>les</strong><br />
<strong>applications</strong> spatia<strong>les</strong> au CNES<br />
Christelle PITTET-MECHIN<br />
CNES, DCT/SB/PS<br />
Christelle.pittet@cnes.fr<br />
Septembre 2005 1
Sommaire<br />
Activités du CNES en <strong>commande</strong> <strong>robuste</strong><br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Animation / participation aux animations<br />
Financement d’études<br />
Stages et thèses<br />
Etudes et réalisations internes<br />
Quelques exemp<strong>les</strong> d’études internes<br />
<br />
<br />
<br />
Pilotage de manips labo<br />
Pilotage lanceurs<br />
Pilotage satellites<br />
Conclusion<br />
Septembre 2005 2
Activités du CNES en <strong>commande</strong> <strong>robuste</strong><br />
Animations<br />
<br />
Dans le cadre du CCT Pilotage, Automatique, et Filtrage<br />
<br />
Trois ateliers <strong>commande</strong> <strong>robuste</strong> et <strong>applications</strong> spatia<strong>les</strong> co-organisés avec le<br />
GT <strong>commande</strong> <strong>robuste</strong> : 1997, 2001, 2003<br />
– 2001 : table ronde : <strong>les</strong> outils (LMIs) <strong>pour</strong> <strong>les</strong> <strong>applications</strong> spatia<strong>les</strong><br />
– 2003 : table ronde : <strong>les</strong> attentes des nouveaux projets spatiaux<br />
Groupe de réflexion sur <strong>les</strong> outils de conception et simulation (2004)<br />
Dans le cadre de la R&T CNES : GT PIROLA 1999-2003<br />
<br />
<br />
Sup’aéro, ONERA, <strong>LAAS</strong>-<strong>CNRS</strong>, Supélec / EADS-ST, CNES<br />
Modélisation, synthèse, analyse<br />
Participation aux journées du GT MOSAR / AS MOCOROVA<br />
<br />
Démarrage AS MOCOROVA<br />
µ comment ça marche <br />
<br />
Workshop on LMI in control<br />
Septembre 2005 3
Activités du CNES en <strong>commande</strong> <strong>robuste</strong><br />
Financement d’études<br />
<br />
Industriel<strong>les</strong> (Alcatel, EADS-ASTRIUM, EADS-ST)<br />
<br />
<br />
Évaluations industriel<strong>les</strong> des techniques <strong>robuste</strong>s (benchmarks)<br />
Réalisation d’outils de conception (MATLAB)<br />
Mise en œuvre « opérationnelle »<br />
– Pilotage Ariane 5<br />
– Contrôle d’attitude SILEX<br />
– ESCAPE<br />
<br />
<strong>La</strong>boratoires<br />
<br />
<br />
Liées aux études industriel<strong>les</strong> (CRAN, Ecole des Mines, Supelec)<br />
Manips labo CNES (CAT : ONERA)<br />
Septembre 2005 4
Activités du CNES en <strong>commande</strong> <strong>robuste</strong><br />
Stages et thèses (µ-analyse/synthèse, réduction d’ordre)<br />
<br />
Stages DEA / fin d’études ingénieur<br />
<br />
<br />
« Synthèse H ∞ d’un correcteur <strong>pour</strong> le pilotage d’un banc d’essai<br />
microdynamique », F. Llibre, 1997<br />
« Synthèse H ∞ de lois de <strong>commande</strong> <strong>pour</strong> la plateforme d’isolation MIM<br />
(Microgravity Isolation Mount), F. Meunier, 1998<br />
<br />
Thèses au CST<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
« Application de la <strong>commande</strong> H ∞ au découplage et à l’amortissement actif par<br />
action inertielle » D. Martinez, LAP, 1996<br />
« Commande <strong>robuste</strong> avec contrainte d’ordre par la norme H ∞ et le formalisme<br />
LMI. Application au contrôle d’attitude d’un satellite d’observation de la<br />
Terre », C. Valentin-Charbonnel, Supelec, 1998<br />
« Commande 6 axes <strong>pour</strong> le vol en formation », S. Gaulocher, ASPI, ONERA,<br />
en cours (2003-2006).<br />
« Planification de trajectoire <strong>pour</strong> des systèmes dynamiquement plats.<br />
Application aux satellites agi<strong>les</strong> », C. Louembet, LAPS, en cours (2004-2007)<br />
Septembre 2005 5
Activités du CNES en <strong>commande</strong> <strong>robuste</strong><br />
Etudes et réalisations internes<br />
<br />
<br />
<br />
Pilotage de manips labo<br />
<br />
<br />
µ-synthèse sur le banc DEGRE6<br />
µ-analyse sur le modèle de vol MIM<br />
Pilotage lanceur<br />
Pilotage lanceur Ariane 5<br />
Pilotage satellite<br />
<br />
<br />
Contrôle d’attitude DEMETER<br />
Benchmark analyse <strong>robuste</strong><br />
Septembre 2005 6
Pilotage de manips labo : DEGRE6<br />
µ-synthèse – DEGRE6<br />
Cahier des charges<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
suivi de consigne en accélération dans la bande 1-50 Hz<br />
filtrage du biais des accéléros<br />
éviter saturation en courant des moteurs linéaires<br />
correcteur stable<br />
Septembre 2005 7
Pilotage de manips labo : DEGRE6<br />
Principe :<br />
<br />
<br />
<br />
Problème Hinfini avec deux pondérations (erreur, <strong>commande</strong>)<br />
<br />
synthèse d’un correcteur Hinfini initial |Fl(K,P)|
Pilotage de manips labo : MIM<br />
µ-analyse MIM : Microgravity Isolation Mount<br />
Historique<br />
<br />
<br />
tests en vol navette (STS-85) août 97 avec correcteurs Hinfini<br />
écarts importants entre comportement sol/vol mettant en jeu la stabilité<br />
<br />
cause identifiée : raideur et frottement de l’ombilical très sensib<strong>les</strong><br />
Septembre 2005 9
Pilotage de manips labo : MIM<br />
Cahier des charges<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
performance en isolation du flotor<br />
réjection des perturbations directes (expérimentations, acoustique)<br />
maîtrise de l’offset de l’ombilical (raideur, frottement)<br />
prise en compte du biais accéléro (2mg)<br />
<strong>pour</strong>suite en accélération<br />
Principe de <strong>commande</strong><br />
<br />
deux bouc<strong>les</strong> de <strong>commande</strong> imbriquées - synthèse Hinfini 4 blocs:<br />
<br />
<br />
asservissememt en position relative <strong>pour</strong> raidir le système<br />
asservissement en accélération étant donné l’asservissement de position<br />
Septembre 2005 10
Pilotage de manips labo : MIM<br />
Résultats :<br />
Combinaisons :<br />
<br />
<br />
<br />
Raideur incertaine et frottement fixe<br />
Raideur fixe et frottement incertain<br />
Raideur et frottements incertains<br />
Résultats :<br />
<br />
<br />
Grandes variations obtenues (utilisation d’incertitudes complexes répétées)<br />
Stabilité sur modèle validée par lieu des racines<br />
Non conforme avec <strong>les</strong> résultats de vol<br />
<br />
<br />
De tel<strong>les</strong> variations déstabilisent le système à coup sûr<br />
Hypothèse : erreurs de modélisation - identification BO impossible<br />
Septembre 2005 11
Pilotage lanceur (PIROLA)<br />
Problématique<br />
Objectifs du pilotage :<br />
<br />
<br />
stabiliser l’orientation du lanceur en présence de<br />
perturbations (en particulier cel<strong>les</strong> liées à<br />
l’atmosphère)<br />
exécution des ordres du système de guidage<br />
Problèmes liés au pilotage<br />
<br />
Synthèse de lois de pilotage = réglage<br />
Les questions :<br />
<br />
<br />
<br />
Et après :<br />
Existe-t-il une solution<br />
Comment la (ou <strong>les</strong>) trouver de manière<br />
systématique<br />
<strong>La</strong> solution trouvée est-elle optimale<br />
Ces solutions sont industriellement viab<strong>les</strong> <br />
Quels sont <strong>les</strong> gains par rapport à l’existant <br />
Capteurs<br />
PILOTE<br />
Actionneurs<br />
Commande<br />
guidage<br />
ariane 5<br />
Septembre 2005 12
Pilotage lanceur<br />
Activités PIROLA<br />
<br />
<br />
<br />
Modélisation<br />
<br />
Fournir un cadre de travail commun à l ’ensemble des participants<br />
Synthèse : mettre en place des méthodologies de réglage<br />
<br />
<br />
Synthèse stationnaire (H infini loop shaping, LQG équivalent, Multiobjectifs<br />
(LMIs), lagrangien augmenté, multicanal)<br />
Synthèse instationnaire (interpolation LQG équivalente, LPV, interpolation à<br />
stabilité garantie, synthèse modale multi-modè<strong>les</strong>)<br />
Analyse<br />
<br />
vérifier a posteriori que le cahier des charges est respecté sur l’ensemble du<br />
domaine de méconnaissances<br />
– µ analyse, Lyapunov, saturations, commutations<br />
Septembre 2005 13
Pilotage lanceur<br />
Bilan des activités PIROLA<br />
<br />
Synthèse double<br />
<br />
<br />
par EADS-ST <strong>pour</strong> évaluation des aspects transfert vers l’industrie<br />
par ONERA <strong>pour</strong> la synthèse méthodologique avec la participation de tous <strong>les</strong><br />
acteurs<br />
Journée bilan lors du séminaire CCT le 13 mars 2003<br />
<br />
<br />
CR disponible <strong>pour</strong> <strong>les</strong> adhérents du CCT<br />
Publications, thèses, postdoc<br />
<br />
Informations : benoit.clement@cnes.fr<br />
Septembre 2005 14
Pilotage satellite : DEMETER<br />
<br />
Mode normal DEMETER<br />
<br />
Microsatellite (120kg, inerties 40 kg.m², modes soup<strong>les</strong><br />
incertains)<br />
Actionneurs :<br />
<br />
<br />
<br />
3 roues à réaction (0.12Nms, 0.005 Nm)<br />
Magnétocoupleurs <strong>pour</strong> désaturation des roues<br />
Senseur stellaire (dispo
Pilotage satellite : DEMETER<br />
Mode normal DEMETER : Campagnes de simulations (3-4 mois)<br />
<br />
Balayage paramétrique unidimensionnel : Robustesse (100 simulations)<br />
<br />
<br />
<br />
Chaque paramètre dispersé indépendamment, avec des variations hors specs.<br />
Nombre de simulations = Σ r(j), avec r(j) le nombre de valeurs prise par le<br />
paramètre p(j)<br />
Chaque simulation est analysée<br />
Balayage paramétrique multi-dimensionnel : Performance (1000<br />
simulations)<br />
<br />
<br />
<br />
Définition de paramètres critiques et secondaires (issus de l’analyse de<br />
<strong>robuste</strong>sse), dispersion dans <strong>les</strong> specs.<br />
– dispersion simultanée des paramètres critiques<br />
– tirage aléatoire d’un jeu de paramètres secondaires<br />
Nombre de simulations = Π r(k), avec p(k) critiques<br />
Analyse statistique<br />
Septembre 2005 16
Pilotage satellite : DEMETER<br />
Mode normal de DEMETER : Campagnes de simulations<br />
<br />
<br />
<br />
Avantages<br />
<br />
Modèle non-linéaire complet, comportement réel des actionneurs et capteurs<br />
Difficultés<br />
<br />
<br />
<br />
Définition des paramètres critiques/secondaires, valeurs à balayer = itérations sur le plan<br />
de simulations<br />
Définition des critères de succès (stabilité/performance = convergence sous un certain<br />
seuil AD)<br />
Temps de calcul et analyse<br />
Limitations<br />
<br />
<br />
compromis nb de simulations / finesse du quadrillage<br />
stabilité ponctuelle<br />
Benchmark<br />
Septembre 2005 17
Pilotage satellite : Benchmark<br />
Benchmark analyse <strong>robuste</strong> : motivation<br />
<br />
Evaluer sur un cas d’application de contrôle d’attitude d’un satellite <strong>les</strong><br />
possibilités d’analyse théorique de <strong>robuste</strong>sse (et performance )<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Modélisation des incertitudes<br />
Types d’incertitudes pouvant être traîtées<br />
Nombre d’incertitudes traîtées en même temps<br />
Sélection des modè<strong>les</strong> pires-cas<br />
Points durs<br />
Conservatisme des résultats / analyses et campagnes de simulation réalisées<br />
par le CNES<br />
Septembre 2005 18
Pilotage satellite : Benchmark<br />
Outils et documentation mis à disposition<br />
<br />
Documentation<br />
<br />
<br />
<br />
Description des modè<strong>les</strong> (satellite, capteurs, actionneurs, environnement) suivant <strong>les</strong><br />
besoins (linéaires ou non)<br />
Incertitudes (type, plages)<br />
Cas de tests (contexte de simulation)<br />
<br />
Simulateur SIMULINK simplifié : <strong>les</strong> modè<strong>les</strong><br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
modèle linéarisé du satellite<br />
modèle d’environnement (coup<strong>les</strong> perturbateurs)<br />
modèle de roue avec saturation en couple et vitesse<br />
modèle de senseur avec retard (fixe + partie variable), bruit de mesure, indisponibilité<br />
algorithme de <strong>commande</strong> complet<br />
<br />
Modèle sous forme M-∆ (à venir) : délégation Denis ARZELIER<br />
Septembre 2005 19
Conclusion<br />
De nombreuses activités menées depuis 1995 avec des résultats<br />
concrets (en vol actuellement)<br />
Une thématique toujours d’actualité, mais peu d’activités de recherche<br />
(problèmes de priorités budgétaires)<br />
Futur proche : mise à disposition du benchmark analyse <strong>robuste</strong><br />
Septembre 2005 20
Change language