Etat de l’art de la commande des axes en gantry

Etat de l’art de la commande des axes en gantry

Notre objectif est d’établir un outil méthodologique adapté à la modélisation et à la commande des systèmes de positionnement multi–actionnés de type « axe en gantry ». Pour y parvenir, il est indispensable de comprendre les problématiques associées à la commande d’une structure flexible multi–actionnée, à savoir :
• Problématiques associées à la commande des systèmes flexibles
• Problématiques associées à la commande des systèmes multi–actionnés
Dans le chapitre précédent (§ 1.3), quelques aspects concernant ces problématiques et comment elles affectent la performance en positionnement des axes en gantry ont été discutés.

Commande des axes en gantry dans la littérature
Dans cette partie, nous discuterons uniquement et rapidement des aspects associés à la commande des axes en gantry mono– et bi–actionnés sans développer les aspects liés à la modélisation. En effet, le modèle étant au cœur de la méthodologie proposée dans ce mémoire, une analyse détaillée des différentes stratégies de modélisation des axes en gantry sera proposée dans les parties (§ 2.2) à (§ 2.5).

Modélisation des axes en gantry dans la littérature
Dans cette partie, une revue des modèles d’axe en gantry disponibles dans la littérature est faite. Elle montre l’absence de modélisations physiques détaillées pour la commande.

Eléments bibliographiques additionnels
Un des objectifs principaux de ce mémoire est de prendre en compte les phénomènes vibratoires associés à la flexibilité structurelle de l’axe en gantry dans sa modélisation, et par extension, dans sa commande. Dans la bibliographie concernant les axes en gantry, les auteurs qui ont pris en compte ces phénomènes sont rares. Aussi, nous explorerons donc dans la littérature générale les méthodes de modélisation et de commande existantes pour des systèmes flexibles.

Commande d’un axe en gantry bi–actionné rigide basée sur une modélisation
physique causale
Ce travail de recherche est la troisième collaboration entre la société ETEL et le laboratoire L2EP. La collaboration précédente, faite dans le cadre de la thèse de J. GOMAND (Gomand, 2008) se portait sur l’étude des propriétés graphiques du formalisme GIC. Afin de valider la démarche proposée, J. Gomand propose la commande d’un axe en gantry pour des applications de pose– dépose de composants électroniques avec des résultats très encourageants. Cette démarche a en effet servi comme première étape au développement d’outils méthodologiques de modélisation et commande pour les axes en gantry. Première étape car les travaux de J. Gomand ne prennent pas en compte la dynamique de l’actionneur Y de l’axe en gantry ni la flexibilité de la poutre connectant les actionneurs parallèles.

Approche proposée pour l’étude
L’approche adoptée dans notre étude est basée sur une modélisation physique détaillée de l’axe en gantry. Cette modélisation, associée à des formalismes de représentation graphique causale et des méthodes d’identification expérimentale permettra de développer des structures de commande adaptées aux problématiques spécifiques des axes en gantry.

Commande des axes en gantry dans la littérature

Commande d’axes en gantry mono–actionnés

Dans les premières étapes du développement des axes en gantry mono–actionnés, les actions pour améliorer leurs performances de positionnement n’ont pas été effectuées sur la commande mais sur la structure mécanique. En effet, une des premières approches a été de rendre la poutre et la liaison poutre–actionneur très rigide.

En réponse à cette rigidification – et alourdissement – du gantry mono–actionné, (Yoshikawa, et al., 1993) proposa qu’au lieu de renforcer la poutre et la liaison poutre–actionneur, une approche plus efficiente serait d’appliquer une loi de commande capable de prendre en compte les déplacements élastiques de la poutre et de la liaison poutre–actionneur. Dans ce but, il propose de modéliser la poutre comme étant rigide et de rapporter toute la flexibilité au niveau de la liaison poutre actionneur, Afin d’appliquer la théorie de la commande optimale, les équations de mouvement du modèle sont linéarisées autour du point de fonctionnement souhaité (déplacement de la poutre sans déformation élastique de la jonction poutre–actionneur).

Deux types de loi de commande sont alors proposés : un contrôle de mouvement point–à–point et un contrôle de mouvement en trajectoire. Dans le premier cas, le problème est formulé comme un problème de commande en temps minimal. Il faut aller d’un point A vers un point B le plus rapidement possible tout en minimisant l’erreur de positionnement (ou les déformations élastiques) et la consommation énergétique. Dans le deuxième cas, le problème est formulé comme un problème de commande de trajectoire optimale. La trajectoire de référence est modifiée de façon à ce que la déformation élastique soit prise en compte et contrée lors de déplacements passant par une trajectoire prédéfinie. Afin de réaliser une commande sans capteur, un observateur d’ordre minimal est proposé pour estimer les déformations élastiques de la jonction poutre–actionneur.

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Table des matières

Introduction Générale
1. Contexte
1.1 Positionnement de ce projet de recherche
1.2 Les systèmes de positionnement dans l’industrie
1.3 L’axe en gantry (problématique du dispositif support de l’étude)
1.4 Conclusion
2. Etat de l’art de la commande des axes en gantry
2.1 Commande des axes en gantry dans la littérature
2.1.1 Commande d’axes en gantry mono–actionnés
2.1.2 Commande d’axes en gantry bi–actionnés
2.1.3 Conclusion sur la commande d’axes en gantry
2.2 Modélisation des axes en gantry dans la littérature
2.2.1 Modélisation des axes en gantry mono–actionnés dans la littérature
2.2.2 Modélisation des axes en gantry bi–actionnés dans la littérature
2.2.3 Conclusion sur les modélisations des axes en gantry
2.3 Eléments bibliographiques additionnels
2.4 Commande d’un axe en gantry bi–actionné rigide basée sur une modélisation physique causale (Gomand, 2008)
2.5 Approche proposée pour l’étude
3. Proposed methodology for modeling and controlling gantry stages
3.1 Physical modeling of gantry stages
3.1.1 Analyzing gantry stages
3.1.2 Proposing a general model of the gantry stage
3.1.3 Kinematics of the gantry stage
3.1.4 Kinetics of the gantry stage
3.2 Modeling the gantry stage
3.2.1 Modeling hypotheses
3.2.2 Dynamic model of the gantry stage
3.2.3 Identification of the model’s parameters
3.3 Controlling the gantry stage
3.3.1 Inversion–based control of (electro)mechanical systems using causal graphical representations
3.3.2 Causal Ordering Graph of the gantry stage
3.3.3 Energetic Macroscopic Representation of the gantry stage
3.3.4 Maximum Control Structure of the gantry stage
3.3.5 Practical Control Structure of the gantry stage
3.4 Conclusion
4. Application of the proposed methodology to the modeling and control of gantry stage industrial systems
4.1 Application to « rigid » gantry stages
4.1.1 Experimental set–up (Application Example No.1)
4.1.2 Dynamic Modeling (Application Example No.1)
4.1.3 Control on a decoupling basis (Application Example No.1)
4.1.4 Experimental set–up (Application Example No.2)
4.1.5 Dynamic Modeling (Application Example No.2)
4.1.6 Control on a decoupling basis (Application Example No.2)
4.2 Application to a « flexible » gantry
4.2.1 Experimental set–up
4.2.2 Dynamic Modeling
4.2.3 Control on a decoupling basis
4.2.4 Improving the positioning performance of the flexible gantry stage: Trajectory planning techniques
4.2.5 Comparison between the rigid and the flexible gantry
4.3 Conclusion
5. Conclusions Générales