Dans cette thèse, nous présentons des solutions pour la conception des systèmes de contrôle actif de vibrations. Dans la première partie, des méthodes de contrôle par action anticipatrice (feedforward) sont développées. Celles-ci sont dédiées à la suppression des perturbations bande large en utilisant une image de la perturbation mesurée par un deuxième capteur, en amont de la variable de performance à minimiser. Les algorithmes présentés dans cette mémoire sont conçus pour réaliser de bonnes performances et maintenir la stabilité du système en présence du couplage positif interne qui apparaît entre le signal de commande et l'image de la perturbation. Les principales contributions de cette partie sont l'assouplissement de la condition de « Stricte Positivité Réelle » (SPR) par l'utilisation des algorithmes d'adaptation « Intégrale + Proportionnelle » et le développement de compensateurs à action anticipatrice (feedforward) sur la base de la paramétrisation Youla-Kučera. La deuxième partie de la thèse concerne le rejet des perturbations bande étroite par contre-réaction adaptative (feedback). Une méthode d'adaptation indirecte est proposée pour le rejet de plusieurs perturbations bande étroite en utilisant des filtres Stop-bande et la paramétrisation Youla-Kučera. Cette méthode utilise des Filtres Adaptatifs à Encoche en cascade pour estimer les fréquences de perturbations sinusoïdales puis des Filtres Stop-bande pour introduire des atténuations aux fréquences estimées. Les algorithmes sont vérifiés et validés sur un dispositif expérimental disponible au sein du département Automatique du laboratoire GIPSA-Lab de Grenoble. / In this thesis, solutions for the design of robust Active Vibration Control (AVC) systems are presented. The thesis report is composed of two parts. In the first one, feedforward adaptive methods are developed. They are dedicated to the suppression of large band disturbances and use a measurement, correlated with the disturbance, obtained upstream from the performance variable by the use of a second transducer. The algorithms presented in this thesis are designed to achieve good performances and to maintain system stability in the presence of the internal feedback coupling which appears between the control signal and the image of the disturbance. The main contributions in this part are the relaxation of the Strictly Positive Real (SPR) condition appearing in the stability analysis of the algorithms by use of “Integral + Proportional” adaptation algorithms and the development of feedforward compensators for noise or vibration reduction based on the Youla-Kučera parameterization. The second part of this thesis is concerned with the negative feedback rejection of narrow band disturbances. An indirect adaptation method for the rejection of multiple narrow band disturbances using Band-Stop Filters (BSF) and the Youla-Kučera parameterization is presented. This method uses cascaded Adaptive Notch Filters (ANF) to estimate the frequencies of the disturbances' sinusoids and then, Band-stop Filters are used to shape the output sensitivity function independently, reducing the effect of each narrow band signal in the disturbance. The algorithms are verified and validated on an experimental setup available at the Control Systems Department of GIPSA-Lab, Grenoble, France.

Les actionneurs piézoélectriques font partie des outils les plus utilisés dans les applications à l'échelle micro/nano-métrique (micromanipulation, microassemblage, micropositionnement, etc…). Du point de vue fonctionnel, on distingue les actionneurs mono-axe (permettant d'obtenir la déflection suivant une direction) et les actionneurs multi-axes (pouvant fléchir suivant plusieurs directions). La notoriété des actionneurs piézoélectriques est due à un certain nombre de performances telles qu'une large bande passante (plus du kHz possible), une très bonne résolution (de l'ordre du nanomètre), une faible consommation en énergie électrique, une grande densité de force, une facilité d'alimentation et d'intégration, etc. Cependant, ces actionneurs sont caractérisés par des non-linéarités fortes (hystérésis et la dérive lente), des oscillations mal-amorties, et sont sensibles à la variation des conditions ambiantes (en particulier à la variation de la température). Pour les actionneurs multi-axes, il s'ajoute un problème des couplages entre les différents axes de l'actionneur. Cette thèse propose des stratégies innovantes de commande des actionneurs piézoélectriques multi-axes pour contrer les problèmes sus-mentionnés. Ces stratégies sont groupées en deux catégories. La première catégorie concerne les techniques de commande en boucle fermée. Ces techniques sont les plus adaptées pour garantir la robustesse et un niveau de précision élevé pour les actionneurs piézoélectriques. Cependant, à l'échelle micro/nano-métrique, ces techniques sont limitées par un manque d'espace suffisant pour installer des capteurs de position. La deuxième catégorie concerne la commande en boucle ouverte dont l'intérêt majeur est lié au fait qu'il n'y a pas besoin de capteurs pour la commande, ce qui constitue un avantage en terme de coût et facilité d'intégration. Dans cette thèse, nous proposons d'abord les techniques de modélisation et de commande en boucle ouverte multivariables. Ensuite, nous faisons une analyse des effets de la température sur les actionneurs piézoélectriques et nous proposons des techniques de commande en boucle ouverte et en boucle fermée de ces effets. Enfin, une stratégie de commande en boucle fermée par découplage, visant à obtenir des correcteurs d'ordre réduit pour les actionneurs multi-axes est proposée. Toutes ces techniques sont vérifiées et appliquées expérimentalement à un actionneur piézoélectrique de type tube. / Piezoelectric actuators are among the most used tools in many applications at micro/nano-scale (micromanipulation,microassembly, micropositioning, etc). From a functional perspective, there exist mono-axis actuators(which are made to bend in one direction) and multi-axis actuators (which provide deflections in different directions).The popularity of piezoelectric actuators is especially due to their high resolution (nanometric resolution),the large bandwidth (greater than 1kHz possible), the low electrical power consumption, the high force density,the ease of integration in positioning systems, etc. However, piezoelectric actuators are characterized by hysteresisand creep nonlinearities, badly damped vibrations and they are sensitive to the variation of ambient conditions(especially to the temperature variation). In addition, multi-axis actuators exhibit cross-couplings betweentheir axis. This thesis proposes novel strategies for modeling and control of multi-axis piezoelectric actuators,with the aim to counteract the aforementionned problems. These strategies are grouped into two categories.The first category concerns feedback control techniques. These techniques are the most suitable to ensurethe robustness and a high level of precision for piezoelectric actuators. However, at the micro/nanoscale, thesetechniques are limited by the lack of enough physical space to install feedback sensors. The second categoryconcerns the feedforward control techniques. The main advantage of these techniques is related to the factthat, in feedforward control schemes, feedback sensors are not needed for tracking. This allows to achieve ahigh degree of packageability and the cost reduction. In this thesis, we first propose multivariable modelingand feedforward control techniques. Then, we analyse the effects of temperature variation on piezoelectricactuators and we propose feedforward and feedback control techniques for these effects. Finally, a feedbackstrategy based on decoupling techniques with an aim to reduce the order of feedback controllers for multi-axispiezoelectric actuators, is proposed. All these modeling and control strategies are experimentally applied on apiezoelectric tube actuator.

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(A)(2) 課題番号:08555101 研究代表者:早川 義一 研究期間:1996-1997年度

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the development of a novel digital acceleration controller for sinusoidal vibration tests using switching-mode AC power source (ACPS) fed electrodynamic vibration machines. The proposed scheme is based on the interaction of two control loops: one for the shaker's acceleration regulation and another for the ACPS output voltage control. A robust model reference adaptive algorithm (RMRAC) is used in the voltage control loop. To reduce the effects caused by the plant's parameters variations as well harmonic vibrations and resonances of the test specimen, the acceleration feedback controller is augmented with a feedforward and a robust controller. Experimental results show that the proposed system is capable to achieve excellent acceleration reference tracking performance and robustness in the closed loop control from 20 Hz to 200 Hz. Investigations shall be performed to evaluate the response of this scheme when controlling vibrations as fast as 2000 Hz. A specific instrumentation system has been developed to feedback the electrodynamic vibration machine's acceleration. The proposed solution employs piezoelectric accelerometers, voltage mode preamplifiers, circuit for signal conditioning, analog to digital conversion and filtering. A study concerning the commonly used vibration measurement techniques and the design procedure, simulation, implementation and experimental results are described in detail. / Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de um novo tipo de controlador digital de aceleração para ensaios com vibrações senoidais em máquinas de vibra ção eletrodinâmicas supridas por fontes de potência CA com comutação. O esquema proposto é baseado na interação entre duas malhas de controle: uma para regulação de aceleração da máquina de vibração e outra para ajuste da tensão de saída da fonte de potência CA. Um algoritmo adaptativo robusto por modelo de referência (RMRAC) é utilizado na malha de controle de tensão. Os efeitos de variações paramétricas existentes na planta bem como de vibrações harmônicas e ressonâncias do objeto ensaiado são minimizados com o uso de um controlador feedforward e um controlador feedforward robusto na malha de aceleração. Resultados experimentais demonstram que o sistema proposto é capaz de garantir excelente rastreamento da aceleração de referência e robustez em malha fechada entre 20 Hz e 200 Hz, necessitando ainda de investigação para controle de vibrações tão rápidas quanto 2000 Hz. A realimentação da aceleração da máquina é realizada com o desenvolvimento de uma instrumentação adequada a esse fim. A solução proposta utiliza acelerômetros piezoelétricos, pré-amplificadores modo tensão, circuito para condicionamento de sinais, conversão analógico-digital e filtragem. Um estudo sobre as principais técnicas utilizadas em medições de vibrações bem como a metodologia de projeto, simulação, implementação e testes experimentais são descritos detalhadamente.