Formalisme vectoriel et représentation graphique causale

Rapportdesynthèse
présentéà
L’UniversitéLille1SciencesetTechnologies
envued’obtenir
L’HabilitationàDirigerdesRecherches
présentéeetsoutenuepubliquementpar
KESTELYNXavier
le05Décembre2012
FORMALISMEVECTORIEL
etREPRESENTATIONGRAPHIQUECAUSALE
pourlaCOMMANDEdesSYSTEMESELECTROMECANIQUES
àENTREESMULTIPLESetDYNAMIQUESCOUPLEES
Membresdujuryrapporteurs:
M.ChristopheESPANET  ProfesseurdesUniversitésàl’UniversitédeFranche‐Comté
M.PascalMAUSSION  ProfesseurdesUniversitésàl’UniversitédeToulouse
M.FaridMEIBODY‐TABAR  ProfesseurdesUniversitésàl’UniversitédeLorraine
Membresdujuryexaminateurs:
M.Jean‐PaulHAUTIER  ProfesseurdesUniversitésàArtsetMétiersParisTech
Mme.BettyLEMAIRE‐SEMAIL ProfesseuredesUniversitésàl’UniversitéLille1
M.EmilLEVIProfessoratLiverpoolJohnMooresUniversity
M.EricSEMAIL   ProfesseurdesUniversitésàArtsetMétiersParisTech

2

3
Remerciements
MestravauxderechercheexposésdanscemémoireontétéréalisésauseinduCentre
d’EnseignementetdeRecherchedeLilled’ArtsetMétiersParisTechdansl’équipe«Commande»du
L2EP(Laboratoired’Electrotechniqueetd’ElectroniquedePuissancedeLille)dirigéparM.Francis
PIRIOU.
Jetiensàremercierparticulièrement:
MonsieurJean‐PaulHAUTIER,ProfesseurdesUniversitésàArtsetMétiersParisTech,pour
m’avoirfaitl’honneuretm’avoiroffertlegrandplaisirdeprésidermonjuryd’habilitation.J’aienfin
eul’occasiondedécouvrirl’hommedegrandevaleuraprèsavoirrencontréundirecteurde
laboratoireetdirecteurgénéraltrèsoccupé.
MessieursChristopheESPANET,ProfesseurdesUniversitésàl’UniversitédeFranche‐Comté,
PascalMAUSSION,ProfesseurdesUniversitésàl’UniversitédeToulouseetFaridMEIBODY‐TABAR,
ProfesseurdesUniversitésàl’UniversitédeLorraine,pouravoiracceptélalourdechargede
rapporteursdemonmémoire.Leursanalysesetquestionspertinentesm’ontpermisd’affinerma
penséeafindemieuxformalisermesperspectivesderecherche.
MonsieurEmilLEVI,ProfessoratLiverpoolJohnMooresUniversity,pouravoiracceptésans
hésitationdetraverserlaMancheafind’assisteràmasoutenanceentantqu’examinateur.Je
connaissaislescientifiquebrillantetinternationalementreconnu,j’aieulachancededécouvrir
l’hommepleindebienveillanceetdechaleureuxconseils.
MadameBettyLEMAIRE‐SEMAIL,ProfesseuredesUniversitésàl’UniversitéLille1etresponsable
del’équipe«Commande»duL2EPpouravoiracceptéd’êtremacautionscientifiqueainsiquepour
sonsoutiensansfaillesetsesencouragementsréguliers.
MonsieurEricSEMAIL,ProfesseurdesUniversitésàArtsetMétiersParisTech,guidedepuisles
premiersjoursetcollèguedepuismonarrivéeauCERdeLille,sanslequeljen’auraiscertainement
jamaispuprésentercemémoire.Pourparaphraserunproverbebouddhiste,«Quandjesuisprêt
(l’élève),Ericapparaît(lemaître)».

4
MonsieurPierre‐JeanBARRE,ProfesseurdesUniversitésàArtsetMétiersParisTech,quim’a
énormémentapprissurles«façonsdefaire»etatoujourssumedonnerlesimpulsionsnécessaires,
etdesurcroîtaubonmoment,pourmesurpasser.
MessieursJulienGOMAND,YvanCREVITS,IvanGARCIA‐HERREROS,LiLUetPaulSANDULESCU
quej’aieuleplaisirdeco‐encadrerlorsdeleurstravauxdethèse.Véritablechevilleouvrièredemes
activitésderecherche,ilsretrouverontdanscemémoireleurscontributionsrespectives.
L’ensembledesdirecteurs,collègues,personnels,acteursindustriels,étudiantsetélèvesquej’ai
purencontrerdepuismanominationentantqueprofesseurcertifiéetagrégéaulycéedel’Europeà
Dunkerque,puisàl’IUTGEIIdeVilleneuved’Ascq,ainsiquedepuismanominationàArtsetMétiers
ParisTechentantquemaîtredeconférencesetmembreduL2EP.Qu’ilsnesoientpasdéçusdene
pasvoirapparaîtreleurnomdanscesremerciements,oublierunnomseraitlesoubliertous.
Jenesauraisterminersansunepenséeàmesparentsquim’onttoujoursfaitconfianceetlaissé
fairecequejepensaisêtrebon,etàmonépouseetmesenfantsquiontbeaucoupsubisans
comprendretoujourscequipouvaitm’animerdurantcesdernièresannées.Qu’ilsreçoiventtoute
monaffectionetmareconnaissance.

5
Résumé
Motsclés:Systèmesélectromécaniquesàentréesmultiples–Dynamiquescouplées–Théorie
desvecteursd’espacemultidimensionnels–GrapheInformationnelCausal(GIC)–Représentation
EnergétiqueMacroscopique(REM)
Lamultiplicationdesous‐systèmesidentiquesdécentralisésmaiscouplés,depuissance
réduite,enlieuetplaced’unsystèmecentraldefortepuissance,permetdedoterlessystèmesde
degrésdelibertésrecherchésdansledéveloppementdeproduitsetprocessuscompétitifs.Les
entraînementsélectriquespolyphasésetlessystèmesdepositionnementmulti‐actionnéssontdes
exemplesdesystèmesélectromécaniquesmodernesetprobants.
Lestravauxderechercheprésentésdanscemémoireportentsurlareprésentationetla
commandedesystèmesélectromécaniquesàentréesmultiplesetprésentantdescouplages
énergétiquesinternesfortsparuneapprocheméthodologiquebaséesurlesoutils«Modélisation
PhysiqueVectorielle»et«ReprésentationGraphiqueCausaleetEnergétique».Unespacevectoriel
associéausystèmepermetderéaliserdesmodèlesvectorielsàparamètresphysiques,de
complexitéschoisiesdifférentessuivantlesexigences.Leformalismevectorielpermetàlafoisdes
représentationsgéométriquessynthétiquesetunesimplificationdescalculsàl’aided’opérateurstels
quelesproduitsscalaires,vectorielsoumixtes.Lareprésentationgraphiquedumodèle,causaleet
énergétique,permetd’unepartd’examinerlesconditionspermettantlacommandablitédusystème
et,d’autrepart,d’endéduiredesarchitecturesdecommandeparinversiondumodèle,autanten
boucleferméequ’enboucleouverte.
Undespointsfortsdel’approcherésidedanslefaitdereprésenterlesystèmeréelàentrées
multiplesetcouplagesénergétiquesinternesfortsparunensembledesystèmesfictifsmono‐entrée
découplés.L’architecturedecommandedéduitepermetalorsunegestionplusaiséedesénergies
stockées,uneaideaufonctionnementenmodedégradé,ainsiquel’utilisationdecorrecteurssimples
etfacilesàrégler,carchacunassignéàunobjectifunique.Demultiplesapplicationsdela
méthodologieproposéeontétéexpérimentéessurdesbancsprototypeséquipésdesystèmes
électromécaniquesàentréesmultiplesprésentantdescouplagesmagnétiques(machinessynchrones
polyphasées),électriques(onduleursmulti‐bras)etmécaniques(systèmesdepositionnementmulti‐
actionnésconfigurésengantry).
Uneperspectiveprivilégiéedestravauxproposésconcernelefonctionnementdessystèmes
électromécaniquesàleurslimites,enparticulierparlapriseencompteetlagestiondessaturations
desgrandeursderéglageetdesnon‐linéaritésintrinsèques.