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Commande hybride d'un système à suspension active

Shaer, Bassel (2017). Commande hybride d'un système à suspension active. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette thèse traite la modélisation, d’un système de suspension active électrohydraulique, du développement des lois de commande et leur implantation en temps réel pour des fins de validation. Les stratégies de contrôle employées et développées utilisent des approches de commande linéaire, nonlinéaire, et de commande adaptative avec des structures simples ou hybrides.

Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé une méthode de commande nonlinéaire hybride pour contrôler la position et la force appliquées sur un banc de suspension active représentant la suspension active d’un véhicule. La structure hybride combine deux contrôleurs nonlinéaires en utilisant deux filtres passe bas. Cette structure consiste en une loi de commande nonlinéaire qui contient des fonctions et des gains variables. Les contrôleurs sont développés en utilisant le mode de glissement pour sa robustesse malgré le broutement (chattering) produit dans la loi de commande. Une chose importante à traiter en contrôle de mode de glissement est la réduction du broutement. La loi d’atteint exponentielle est une des techniques existant pour réduire le broutement dans la loi de commande nonlinéaire. La technique a été testée en simulation ainsi qu’en temps réel pour des fins de validation dans cette thèse.

Pour améliorer la performance du contrôleur proposé dans le paragraphe précédent, nous avons ajouté un autre contrôleur de logique floue basé sur les surfaces de glissement pour les tests de validation. Dans le contrôleur de logique floue, les entrées sont les surfaces de glissement de la position et de la force qui sont calculés instantanément dans le système. Le contrôleur de logique floue varie les gains des filtres efficacement pour améliorer la performance de contrôleur proposé utilisé dans la structure hybride. La stabilité de structure hybride est renforcée par la stabilité de chaque contrôleur employé dans cette structure. La popularité de contrôleur PID nous a motivé à l’intégrer dans la structure hybride. Vu que le contrôleur PID est facile à intégrer dans les applications industrielles et dans les systèmes embarqués, un contrôleur hybride basé sur des contrôleurs PID est construit et testé pour déterminer une force désirée en gardant la position dans ses limites.

La structure hybride composée des contrôleurs PID et contrôleurs de mode de glissement a prouvé sa validité à travers des séries de tests en simulation et en temps réel. Les résultats montrent qu’un contrôleur hybride peut réduire la perturbation exercée sur un système à suspension active et suivre une trajectoire de force désirée générée à partir des paramètres du système. Ce double aspect ne peut être réalisé par un contrôleur simple et même un contrôleur nonlinéaire.

Les contrôleurs simples sont faits pour réaliser un seul objectif (force ou position) et parfois garder des variables dans leurs limites. En revanche, la structure hybride est devenue de plus en plus populaire pour les applications multitâches surtout en robotiques. Autrement dit, le contrôle composé de deux contrôleurs a prouvé son efficacité dans plusieurs domaines. Dans le même sens, un contrôleur PID dual loop (PIDDL) a été développé et présenté sous une forme adaptative à travers des fonctions adaptatives pour contrôler la position de banc d’essai à suspension active. Le PIDDL pourrait être intégré dans la structure hybride pour avoir une nouvelle structure basée sur un contrôleur considéré comme une extension de contrôleur PID. Des contrôleurs à logique flou sont employés sous une structure adaptative avec des retours des sorties des même contrôleurs pour mettre à jour les gains essentiels de contrôleurs PID et PIDDL.

Le contrôleur PIDDL avec des gains variables a été testé et validé à travers une série des comparaisons avec le PID et d’autres contrôleurs. Les résultats obtenus ont prouvé la validité du contrôleur proposé en surpassant les autres contrôleurs en termes de performance.

Titre traduit

Hybrid control of an active suspension system

Résumé traduit

This thesis proposes the modeling of an electrohydraulic active suspension system, the development of control laws and their implementation in real time for validation purposes. The control strategies employed and developed by using linear, nonlinear and adaptive control approaches with simple or hybrid structures.

In this thesis, we have developed a hybrid nonlinear control structure for controlling the position and the force applied to an active suspension bench representing the active suspension of a vehicle. The hybrid structure merges two nonlinear controllers using two low pass filters. This structure consists of a nonlinear control law which contains variable functions and gains. The controllers are developed using the sliding mode because of its robustness despite the chattering produced in the control law. In a sliding mode control, the most important thing to deal with is the reduction of chatter. The exponential reaching law is one of the existing techniques to reduce chattering in a nonlinear control law. The technique has been tested in simulation as well as in real time for validation purposes in this thesis.

To improve the performance of the proposed controller in the previous paragraph, we added another sliding surface based fuzzy logic controller for the validation tests. In the fuzzy logic controller, the inputs are the sliding surfaces of the position and the force which are instantaneously calculated in the system. The fuzzy logic controller updates the gains of the filters efficiently to improve the performance of the proposed controller used in the hybrid structure. The stability of the hybrid structure is enhanced by the stability of each controller used in this structure.

The popularity of PID controller motivated us to integrate it in the hybrid structure. Since the PID controller is easy to integrate in the industrial applications and embedded systems, a PID based hybrid controller is built and tested to track a desired force by keeping the position within its limits. The hybrid structure composed of PID controllers and sliding mode controllers has proved its validity through simulation and real-time tests. The results show that a hybrid controller can reduce the disturbance exerted on an active suspension system and follow a desired force trajectory generated from the system parameters. This double aspect cannot be achieved by a simple controller and even a nonlinear controller.

Simple controllers are made to achieve a single objective (force or position) and sometimes to keep variables within their limits. On the other hand, the hybrid structure has become increasingly popular as it is used in multitask applications such as robotics. In other words, the hybrid structure with many controllers has proved its efficiency in several areas.

In the same direction, a dual loop PID controller (PIDDL) was developed and presented in adaptive form through adaptive functions to control the position of active suspension bench. The PIDDL could be integrated into the hybrid structure to have a new structure based on an extension of a PID controller. Fuzzy logic controllers are used into an adaptive structure with feedbacks between the same controllers to update the essential gains of PID and PIDDL controllers.

The PIDDL controller with variable gains has been tested and validated through a series of comparisons with the PID and other controllers. The results proved the validity of the proposed controller by surpassing the other controllers in terms of performance.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 177-182.
Mots-clés libres: Véhicules automobiles Suspensions actives. Servomécanismes électrohydrauliques. Commande numérique Conception. Véhicules automobiles Suspensions actives Modèles mathématiques. Commande par modes glissants. Commande non linéaire. Commande en temps réel. Systèmes adaptatifs. Systèmes flous. Contrôle du broutement (Génie mécanique) Régulateurs PID. force, hybride, PIDDL, position, contrôle hybride, contrôle de force, système électrohydraulique, logique floue, mode de glissement, suspension active, contrôleur proportionnel intégral dérivée à double boucle
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Kenné, Jean-Pierre
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Kaddissi, Claude
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 11 sept. 2017 19:32
Dernière modification: 11 sept. 2017 19:32
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1927

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