Systèmes Asservis Non Linéaires - Cours d'Automatique

Christian JUTTEN
Systèmes asservis non linéaires
Université Joseph Fourier - Polytech’ Grenoble
Cours de troisième année du département 3i
Options Automatique
Août 2006
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Table des matières
1 Introduction 3
1.1 Limitations des méthodes linéaires . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Systèmes non linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Non-linéarités dans les systèmes asservis . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Systèmes asservis possédant un seul élément non linéaire . . . 6
1.5 Exemples de réduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.1 Exemple.......................... 6
1.5.2 Exercice.......................... 8
1.6 Méthodes d’études des systèmes asservis non linéaires . . . . 9
1.7 Notations ............................. 9
1.8 Références............................. 10
1.9 Plandudocument ........................ 10
2 Méthode du premier harmonique 11
2.1 Principe.............................. 11
2.2 Condition de validité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Fonction de transfert généralisée . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 Représentation graphique . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 Elément NL statique ou sans inertie . . . . . . . . . . 13
2.4 Calculs de gains complexes équivalents . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.1 Principe de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.2 Gain complexe équivalent de la saturation . . . . . . . 15
2.4.3 Gain complexe équivalent d’un relais avec hystérésis . 18
2.4.4 Gain complexe équivalent d’un système NL quelconque 23
2.4.5 Tableau récapitulatif de gains complexes équivalents . 24
2.5 Stabilité des systèmes asservis non linéaires . . . . . . . . . . 26
2.5.1 Conditions nécessaires d’auto-oscillations . . . . . . . . 26
2.5.2 Stabilité des auto-oscillations . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.3 Auto-oscillations dans un asservissement à relais . . . 29
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2.5.4 Exemple : détermination mathématique des auto-
oscillations ........................ 32
2.6 Auto-oscillation dissymétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6.1 Généralités ........................ 36
2.6.2 Exemple : cas d’un relais symétrique avec une entrée
x0+x1sin ωt ....................... 37
2.6.3 Exemple : cas d’un relais à hystérésis dissymétrique . . 40
2.6.4 Principe de détermination des auto-oscillations . . . . 43
2.6.5 Exemple d’un asservissement à relais avec perturba-
tionlente ......................... 44
2.7 Asservissement à plusieurs non linéarités . . . . . . . . . . . . 48
2.7.1 Système étudié . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7.2 Non linéarité équivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.7.3 Calcul du gain complexe équivalent . . . . . . . . . . . 50
2.7.4 Détermination des auto-oscillations . . . . . . . . . . . 52
2.8 Conclusions sur la méthode du premier harmonique . . . . . . 53
3 Méthode du plan de phase 55
3.1 Introduction............................ 55
3.2 Fondements mathématiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.1 Principe général . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.2 Points singuliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.3 Cas d’une équation différentielle d’ordre 2 . . . . . . . 57
3.2.4 Stabilité en un point singulier . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.5 Rappel sur la résolution d’un système différentiel linéaire 58
3.2.6 Nature des points singuliers . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.7 Segments singuliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.8 Cycles limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3 Etude d’asservissements à relais . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.1 Solutions dans le plan de phase . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.2 Etude de la trajectoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.3 Représentation des trajectoires . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.4 Trajectoire pour λ= 0 .................. 75
3.3.5 Calcul du temps le long d’une trajectoire . . . . . . . . 75
3.3.6 Etude pour un relais idéal . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.7 Etude pour un relais avec hystérésis . . . . . . . . . . 79
3.3.8 Relais avec seuil et retard de commutation . . . . . . . 82
3.3.9 Système avec correction tachymétrique . . . . . . . . . 84
3.4 Conclusions ............................ 86
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Chapitre 1
Introduction
1.1 Limitations des méthodes linéaires
Commençons par rappeler la définition d’un système linéaire. Au sens des
mathématiques, un système est linéaire si on peut y appliquer le principe de
superposition. D’un point de vue physique, la définition, plus restrictive, est
la suivante.
Définition 1.1.1 Un système est linéaire s’il est décrit par des équations
différentielles linéaires d’ordre fini à coefficients constants.
Lorsque cette définition s’applique, on peut associer au système, à l’aide
de la transformée de Laplace, une transmittance H(p)qui est une fraction
rationnelle en p=jω. En automatique, on complète fréquemment la défini-
tion de linéarité avec la transmittance associée au retard pur, c’est-à-dire un
terme de la forme exp(−τp), où τest une constante de temps.
Les méthodes d’étude des systèmes linéaires sont très puissantes en raison
des outils disponibles (algèbre linéaire, équations différentielles et systèmes
différentiels linéaires, etc.). Malgré tout, se cantonner aux systèmes linéaires
présente plusieurs limitations :
– Aucun système physique n’est complètement linéaire. Les méthodes
linéaires ne sont donc appliquables que dans un domaine de fonction-
nement restreint.
– Certains sytèmes sont impossibles à modéliser, même localement, à
des systèmes linéaires. Un exemple simple est le relais, que ce soit sous
sa forme électro-magnétique ancienne ou sous sa forme électronique
(transistor en commutation, thyristor, etc.).
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– Certains phénomènes ne peuvent pas être décrits par des modèles et
méthodes linéaires. Par exemple,
1. la précision limitée due au seuil alors que la théorie classique pré-
voit une précision parfaite si le système comporte un intégrateur
pur,
2. le phénomène de pompage caractérisé par des oscillations pério-
diques, alors que la théorie linéaire ne prévoit que des états stables
ou instables.
1.2 Systèmes non linéaires
Par définition, un système non linéaire est un système qui n’est pas li-
néaire, c’est-à-dire (au sens physique) qui ne peut pas être décrit par des
équations différentielles linéaires à coefficients constants.
Cette définition, ou plutôt cette non-définition explique la complexité et
la diversité des systèmes non linéaires et des méthodes qui s’y appliquent. Il
n’y a pas une théorie générale pour ces systèmes, mais plusieurs méthodes
adaptées à certaines classes de systèmes non linéaires.
On se limitera dans ce cours à l’étude des systèmes asservis non linéaires,
c’est-à-dire d’asservissements qui contiendront un (voire plusieurs) éléments
non linéaires. Ces éléments devront en outre appartenir à des types bien
définis de non-linéarités.
1.3 Non-linéarités dans les systèmes asservis
La caractéristique entrée/sortie d’un système présente fréquemment des
distortions dues aux non-linéarités du systèmes. Par exemple, un amplifica-
teur présente une saturation, un pont de redressement présente des seuils en
raison des seuils des diodes qui le composent (Fig. 1.1)
Ces cinq non-linéarités de base peuvent se combiner pour former des non-
linéarités plus complexes, comme le montre la Fig. 1.2.
Ces cinq non-linéarités et leurs combinaisons permettent de représenter
à peu près tous les types de non-linéarités rencontrés dans les systèmes as-
servis. Remarquons cependant que ces caractéristiques sont statiques : elles
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