ETUDE DE LA COMMANDE DU SOUS MARIN « ALISTAR » AVEC LE LOGITIEL « SCILAB XCOS »

ETUDE DE LA COMMANDE DU SOUS MARIN

« ALISTAR »

AVEC LE LOGITIEL « SCILAB XCOS »

PROBLEME POSE :

On se propose dans ce TP d’étudier et d’améliorer les performances de l’asservissement en vitesse du sous-marin autonome d’inspection « Alistar » en utilisant le logiciel

« SCILAB XCOS ».

Ce TP est inspiré de d’épreuve de SI du concours Centrale MP 2011.

ACTIVITES :

1. Mise en situation

2. Etude du système non perturbé

3. Etude du système perturbé

ACTIVITE 1 : Mise en situation

Les installations d’exploitation (plate-forme, tête de puits, pipeline, . . .) des champs pétrolifères Offshore situées en haute mer font l’objet d’une constante surveillance.

Bien que cruciale pour des raisons de sécurité, elle est difficilement réalisable à cause de l’hostilité du milieu marin et des grandes profondeurs rendant l’intervention humaine irréaliste. Le recours à un drone sous-marin s’impose naturellement. La conception d’un tel engin repose essentiellement sur le type de mission à réaliser.

Présentation du drone

L’ALISTAR 3000 est un engin sous-marin autonome qui entre dans la catégorie des « AUV » (Autonomus Underwater Vehicle) capable d’effectuer une grande variété de tâches d’inspection sur les champs pétrolifères Offshore jusqu’à une profondeur de 3000 m.

Une fois la mission d’inspection établie et programmée, il offre la possibilité de recueillir des données vidéo (caméra) et sonars (latéral et à balayage) des installations sous- marines visitées (pipeline, tête de puits, . . .). Il stocke ces informations pour un dépouillement ultérieur à terre.

Pour cette étude, le profil d’une mission type de ce sous-marin se décompose par l’enchainement temporel de cinq phases distinctes :

1. une phase de pesée et de préparation du sous-marin, mise à l’eau ; 2. une phase de descente afin de rejoindre le point de départ de son travail

d’inspection ;

3. une phase d’inspection (contrôle de l’état général du pipeline) ; 4. une phase de remontée à la surface ;

5. une phase de récupération du sous-marin.

Architecture générale de l’AUV

Pour se déplacer, l’ALISTAR est pourvu de 8 propulseurs : 4 propulseurs principaux arrière, 2 propulseurs latéraux et 2 propulseurs verticaux.

Cette structure assure une excellente manœuvrabilité dans l’espace sans avoir recours à des gouvernes orientables, consommatrices d’énergie et peu efficaces lors de certaines manœuvres ou pour contrecarrer les effets des courants marins.

PILOTAGE DE L’ALISTAR

La commande individuelle de chacun des propulseurs permet de diriger l’ALISTAR dans l’espace. Ces entités de propulseurs sont constituées d’un moteur électrique à courant continu piloté en tension et accouplé à une hélice.

Une ébauche du schéma-bloc modélisant la commande asservie de la vitesse du sous- marin peut se mettre sous la forme suivante :

Après différentes hypothèses simplificatrices, le schéma bloc modélisant la commande asservie de la vitesse du sous-marin prend la forme :

On note :

 Uc(p) : consigne de vitesse (en m.s^-1).

 U(p) : vitesse de l’ALISTAR (en m.s^-1).

 P(p) : effort de poussée produit par le propulseur (en N).

 Fpert(p) : Forces dues aux perturbations (en N)

Les forces d’origine hydrodynamique agissant sur l’ALISTAR autres que celles produites par les propulseurs constituent les principales perturbations. Ces forces varient en fonction du milieu marin, des courants, de la profondeur,…

) ( . )

1

( p G C p

H  G  94 N . V

) ( p

C

p p

H 1 11 . 10 . ) 5

(

3

2

 



: Fonction de transfert modélisant le comportement mécanique

) . /(

1

 V m s K

On donne les performances souhaitées de la fonction « Maîtriser la vitesse de suivi du pipeline » :

 Erreur statique pour une entrée en échelon de vitesse : 1 %.

 Rapidité T5% < 2 s.

 Dépassement inférieur à 2%.

ACTIVITE 2 : Etude du système non perturbé.

Lancement du logiciel « Scilab Xcos »

 Lancer le logiciel Scilab.

 Lancer l'application Xcos en cliquant sur .

Vous disposez alors d'un éditeur graphique et d'un navigateur de palettes.

 Dans le navigateur de palettes, sélectionner le dossier GPGE

Construction du schéma bloc

 Etablir le schéma bloc suivant en faisant glisser depuis le navigateur de palettes les blocs nécessaires de la boîte à outils "CPGE".

 Définir les blocs en double cliquant dessus…

 Relier les blocs…

 Définir une consigne échelon de vitesse de 1 m.s^-1 et une perturbation nulle.

 Enregistrer votre travail dans « Mes document/répertoire de votre classe/répertoire à votre nom à créer/alistar1 ».

Lancement de la simulation et visualisation des résultats

 Lancer la simulation en cliquant sur l'icone « démarrer » de la barre d'outils et visualiser la courbe obtenue.

Question 1

Donner les performances en précision et en rapidité (utiliser les outils « zoom »).

Comparer avec les performances du cahier des charges.

Utilisation et réglage d’un correcteur proportionnel.

 Définir un paramètre formel « a » en cliquant droit sur la zone graphique puis

« Modifier le contexte », taper alors a=1 puis « OK ».

 Modifier le schéma bloc en ajoutant un correcteur proportionnel

C ( p )  a

 Pour spécifier plusieurs valeurs à ce paramètre, faire glisser le bloc « Variation de paramètres » définir les valeurs de « a » suivantes : 50, 100, 150, 200, 250 (séparées par des virgules).

 Enregistrer votre travail : « alistar2 ».

 Lancer la simulation.

 Modifier si besoin la durée de simulation.

Question 2

Donner l’influence de l’augmentation du gain du correcteur proportionnel sur les performances.

Rechercher la valeur minimum du correcteur permet d’obtenir les performances du cahier des charges ? (garder cette valeur dans la suite du TP).

Déterminer le temps de réponse et vérifier que ce gain permet également de valider le critère sur la rapidité.

ACTIVITE 3 : Etude du système perturbé.

Mise en évidence du problème

Faire apparaitre une perturbation de 1000 N à t = 5s.

 Lancer la simulation.

Question 3

Donner l’influence de la perturbation.

Utilisation et réglage d’un correcteur proportionnel intégral

On décide alors d’utiliser un correcteur proportionnel intégral

p a b p

C ( )  

a

 Modifier le schéma bloc avec ce nouveau correcteur.

 Lancer l’étude en faisant varier les valeurs de la composante intégrale du correcteur

b

Question 4

Donner l’influence de la composante intégrale du correcteur.

Déterminer la valeur de

b

Reprendre l’étude sans perturbation, que peut-on constater ?

ACTIVITE 4 : Prise en compte de la saturation.

Mise en évidence du problème

 Ajouter une sortie afin de mesurer la poussée du propulseur.

 Lancer l’étude.

Question 5

Donner la valeur de la poussé maximum.

Mise en compte de la limitation de poussé.

 Modifier le schéma bloc en incorporant un bloc saturation afin de limiter la poussé à 500000 N.

 Lancer l’étude.

Question 6

Comparer les performances des réponses avec et sans saturation.

ACTIVITE 5 : Utilisation d’un correcteur optimisé.

On décide un correcteur proportionnel intégral sous la forme suivante :

p p p p

C 11 .

. 11 . 1

. 14 11 1 1 . 14 )

( 

 





 

 



 Modifier le schéma bloc.

 Lancer l’étude.

Question 7

Comparer les performances des réponses précédentes.