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Commande par FPGA : de la modélisation à l’implémentation

Noirot, Simon (2012). Commande par FPGA : de la modélisation à l’implémentation. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans un monde où s’accroit la complexité des systèmes électromécaniques, des applications de plus en plus performantes sont exigées. La commande de tels systèmes doit donc pouvoir répondre à ces attentes. L’évolution des technologies numériques permet aujourd’hui de disposer de composants efficaces, reconfigurables. Le développement au cours de ces dernières années d’outils logiciels intégrés à haut niveau d’abstraction permet à un nombre croissant de concepteurs d’utiliser des circuits numériques de pointe. Les FPGA profitent de ces évolutions et sont des candidats de choix pour la réalisation de modules de commande performants.

Après avoir défini un système d’étude et en avoir donné sa modélisation mathématique, il est possible de passer à la phase de développement. En bénéficiant de l’outil HDL Coder intégré au sein de Matlab/Simulink, il est possible d’obtenir du code HDL à partir de schémas de modélisation de haut niveau. Dans un premier temps, un régulateur de type PID est proposé. Ensuite une commande plus élaborée est définie. La commande moderne, par ses calculs matriciels importants, permet de bénéficier de la puissance de calcul des FPGA. Enfin, une démarche de conception à base de modèles est proposée.

La méthodologie de conception à base de modèles couplées à la mise en place d’une bibliothèque de composants réutilisables permet de disposer de modèles à la fois simulable et synthétisable dans un FPGA. L’implémentation d’un PID, en utilisant l’arithmétique distribuée, permet d’obtenir des résultats intéressants. L’implantation d’un PID au sein d’un FPGA peut se réaliser rapidement et aisément comme peuvent le proposer d’autres méthodes, tel xPC Target. La mise en place de l’arithmétique distribuée au sein d’une commande dans l’espace d’état afin d’économiser les ressources du FPGA à disposition a montré ses limites. En effet, l’accumulation d’erreurs pourtant faibles ne permet pas de disposer d’un système stable. La raison est due, notamment, à un système d’étude peut propice au calcul numérique à point fixe. Il a également été montré que dans le cadre de la commande dans l’espace d’état, la résolution des convertisseurs jouait un rôle primordial. Une résolution trop faible produisant une erreur statique sur l’estimation des états provoquant la divergence de la boucle de commande. Enfin il a été possible de mettre en oeuvre une bibliothèque de composants réutilisables et flexibles qui, utilisée dans une conception à base de modèles, permet de réduire le temps de mise sur le marché de façon significative.

Résumé traduit

In a world where electro-mechanical systems are more and more complex has come an increasingly need of performances for this kind of applications. The evolution of digital technologies gives a set of components that can meet these requirements. Over the last years the development of electronic computer-aided design softwares has made FPGAs good candidates to enhanced the performances of controllers.

Once the model is described mathematically, the development process can start. It is possible to use an high level graphical model to generates HDL code by using the Matlab/Simulink Toolbox HDL Coder. First a classical PID controller is developped. Then a modern control technique is designed. FPGAs’computational ability is used to perform the required matrix multiplications. We also propose the model-based design as an other modeling approach.

The model-based design methodology as well as the development of a reusable and flexible components’ library give models that can be both simulated and synthetized. A PID controller with distributed arithmetic gives great performances and presents a time to market equivalent to xPC Target for instance. The use of distributed arithmetic in the state space context has shown its limits. One reason for that result is that the system use is not « computational-friendly ». Also it has been shown that the resolution of converters has a great impact on the system stability and more particularly on the states estimation. Finally a library has been developped that enables the end-user to focus on the system level design. The massive use of flexible and reusable components associated with model-based design reduces significantly the time to market.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie électrique". Bibliogr. : f. [177]-183.
Mots-clés libres: Réseaux logiques programmables par l'utilisateur. Régulateurs PID. Modèles mathématiques. Théorie de la commande. FPGA, Matlab/Simulink, HDL Coder, commande moderne, conception à base de modèles, bibliothèque
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Belleau, Christian
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 15 août 2012 14:57
Dernière modification: 07 mars 2017 20:03
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1039

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