Commande des systèmes et dynamique du vol
SACSO, Suspension active pour essais en soufflerie
Etapes de conception
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Les vérifications en soufflerie
Pour l'étude de l'effet des câbles sur les écoulements aérodynamiques, plusieurs séries d'essais (figures 2 et 3) ont été effectués dans la soufflerie L1 du centre Onera de Lille. Ces essais ont permis de vérifier que les effets de la présence des câbles sur l'aérodynamique d'une maquette de mirage 2000 étaient compatibles avec les objectifs poursuivis.
Figures 2 et 3 : évaluation des effets des câbles en soufflerie
La faisabilité du vol libre simulé
Les études théoriques menées ont montré la faisabilité d'une commande coordonnée de cette suspension pour simuler le vol libre. Cette commande passe par l'intermédiaire d'un torseur d'effort désiré qui est généré au moyen des câbles, par exemple pour simuler l'action des propulseurs. Ce torseur d'effort permet également de modifier la direction ou l'amplitude de la pesanteur et de modifier la masse ou l'inertie de la maquette par la génération des forces inertielles correspondantes. Nos études ont montré que le point dur ne résidait pas dans la coordination de cet ensemble redondant, ce qui n'est qu'un problème d'algorithmique numérique bien maîtrisé, mais dans l'obtention d'une bande passante élevée pour les asservissements de tension de câbles, ce qui relève d'un savoir faire pointu sur des systèmes dont les modèles représentent très mal la complexité de la réalité physique (hystérésis dans les frottements des câbles sur les poulies par exemple).
La conception de la structure mécanique
Les études de conception ont donné lieu à plusieurs publications ([1], [2] et [3]) et
à la thèse de docteur ingénieur de P. Lafourcade [4]. Elles ont permis de définir plusieurs architectures mécaniques, dont :
- une architecture de base à 7 câbles avec une répartition uniforme des ancrages (figure 4)
- une architecture à 9 câbles (figure 5) offrant un volume d'évolution encore plus important, un meilleur découplage des commandes et nécessitant une motorisation moins puissante
Cette dernière architecture a été retenue.
Figure 4 : architecture à 7 cables
Figure 5 : architecture à 9 cables
La conception des asservissements en tension des câbles
Plusieurs bancs de test (figures 6 et 7) ont été réalisés pour tester les solutions retenues. Enfin, pour augmenter les performances de ces asservissements et atteindre la bande passante actuelle (environ 35 Hz), il a été nécessaire de modéliser et d'identifier les phénomènes non-linéaires liés aux frottements des câbles sur les poulies.
Figures 6 et 7 : bancs de test des asservissements en tension de câbles
La conception des algorithmes de conduite
Les algorithmes qui permettent la conduite de cette architecture redondante sont issus de notre expérience en commande de robots. C'est une structure de commande coordonnée hybride position-force. Elle permet le choix entre plusieurs types de commande :
- faire suivre des trajectoires 6 ddl imposées à la maquette : c'est de la commande pure en position où le torseur d'effort câble est calculé pour annuler l'erreur entre la trajectoire réalisée et la trajectoire désirée
- laisser la maquette en vol libre 6 ddl : c'est de la commande pure en force où le torseur câble est calculé pour réaliser la poussée des réacteurs et éventuellement compenser les défauts de similitude en masse et inertie, mais aussi changer la direction de la gravité (ce qui est souvent le cas pour la soufflerie verticale SV4)
- imposer un mouvement ou l'immobilité sur (ou autour de) certains axes et laisser la maquette évoluer librement sur (ou autour) des autres : c'est de la commande hybride position-force où certaines composantes du torseur réalisé par les câbles proviennent de la commande en position et d'autres proviennent de la commande en force
Ces divers modes de commande aboutissent tous à un torseur d'effort désiré que doivent réaliser les câbles. Le calcul des tensions des 9 câbles, contraintes en valeur minimale (20 newtons) et maximale (100 à 200 newtons selon les câbles) pour réaliser ce torseur d'effort est effectué par un algorithme de programmation quadratique spécifique.
Les boucles de commande coordonnées cartésiennes en position et/ou en force et les boucles d'asservissement des tensions des câbles sont synchrones et activées avec la même fréquence d'échantillonnage de 2 kHz.
