Metaheuristics based optimization of controllers - application to a line of sight stabilization
Optimisation des correcteurs par les métaheuristiques – Application à la stabilisation inertielle de ligne de visée
Résumé
This thesis proposes an efficient evolutionary approach to the fixed-order and structured H∞ control design problem extended to the multiple plants framework case. By testing it on the classical example of a flexible plant, this evolutionary approach proves to be very efficient compared to other recent tools, especially in the case of a high number of plants; and then it can then be envisaged considered as an interesting alternative for such problems.
This thesis proposes also to revisit the mu-synthesis problem with a recent and efficient meta-heuristic called Quantum Particle Swarm Optimization and Differential Evolution. These algorithms allow us to optimize dynamics (or static) D-scalings without fitting them which leads to robust performance controllers. This method has been applied to an industrial problem, namely the Lino of Sight stabilization problem, and has been proven to be better than the classical D-K iteration method.
Depuis de nombreuses années, Sagem est présent sur le marché des dispositifs de visées. Avec des dispositifs optroniques, on cherche à produire une image dont l’orientation et la qualité ne dépendent pas du porteur. Pour cela, des senseurs optroniques sont portés par un dispositive mécatronique asservi inertiellement, ce qui confère au viseur certaines fonctionnalités telles que l’observation, la détection et l’identification. Le problème de stabilisation inertielle consiste en un problème de rejet de perturbations externes :
- la première est le couple de frottements engendré lors d’un mouvement relatif entre le porteur du viseur et la ligne de visée.
- la seconde perturbation provient des déformations mécaniques de la structure du viseur qui de par sa flexibilité transmet à la ligne de visée, voire amplifie, une partie de l’environnement mécanique auquel le viseur est soumis.
En plus de l’exigence de performance sous ces environnements, d’autres exigences doivent être prises en considération lors de la conception :
- parce que le viseur est un équipement embarqué et/ou parce qu’il doit préserver l’intégrité de la motorisation, une exigence sur la consommation énergétique de l’étage de stabilisation est nécessaire (contrainte sur la puissance instantanée maximale, contrainte sur le courant ou la tension maximale, etc…),
- parce que le viseur est un système de grande série, la conception de la loi de commande doit se faire sous contrainte de robustesse.
Ainsi l’automaticien doit concevoir une loi de commande unique qu’il validera sur un prototype unique, ayant un degré de robustesse suffisant pour satisfaire un cahier des charges complexe sur un grand nombre de systèmes. Pour cela, la méthodologie de développement qu’il emploie actuellement est un processus itératif expérimental (phase d’essai‐erreur), qui fait grandement appel à l’expérience de l’ingénieur.
Dans cette thèse, on tente de rendre cette méthodologie de synthèse des correcteurs des asservissements de viseurs plus efficace car plus directe et donc moins couteuse en temps de développement, en calculant un correcteur final (structuré) par une attaque directe des spécifications système haut niveau. La complexité des spécifications système haut‐niveau nous pousse à l’emploi des métaheuristiques : ces techniques d’optimisation ne nécessitent pas la formulation du gradient, la seule contrainte étant la possibilité d’évaluer la spécification. Ainsi avons‐nous proposé dans ce
mémoire de reformuler les problèmes de commande robuste pour l’optimisation stochastique : on montre dans ce travail comment on peut synthétiser des correcteurs structurés à partir de problématiques de type Hinfini ou mu‐synthèse et on montre que l’intérêt de l’approche formulae réside dans sa flexibilité et la prise en compte de contraintes « exotiques » complexes ; les algorithmes évolutionnaires s’avérant très performants et compétitifs, nous avons finalement développé sur cette base une méthode originale de synthèse de correcteurs structurés et robustes vis‐à‐vis de critères d’optimisation de forme quelconque. La validation de ces travaux a été réalisée sur des exemples industriels de viseurs.
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