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Commande des microsystèmes piézoélectriques multivariables avec minimisation de capteurs – C-MUMS

Commandes hautement “embarqués” pour les microsystèmes piézoélectriques nonlinéaires et multi-axes.

Etude de techniques de commande capable de contrôler les microsystèmes piézoélectriques nonlinéaires et multi-axes sans utiliser de capteurs ou avec minimisation de capteurs afin d'aller vers des systèmes performants complètements embarqués et de faible coûts.

Vers la commande embarqués de microsystèmes multi-axes

L’objectif de ce projet vise à aller vers la commande des microsystèmes piézoélectriques nonlinéaires et multi-axes tout en se souciant de l'embarquabilité de ceux-ci. L'enjeu majeur du projet consiste à étudier des techniques de commandes sans utiliser les capteurs existants qui sont à la fois chèrs et non-embarquables. Les enjeux sont donc multiples : l'embarquabilité, la haute performance, les nonlinéarités, les vibrations mal amorties, l'aspect multi-axes et la sensibilité à la température.

Deux approches sont proposées dans le projet :
- la mesure par le self-sensing qui consiste à utiliser les actionneurs comme capteurs à la fois, permettant ainsi une très haute embarquabilité des systèmes.
- et la commande multivariable en boucle ouverte des microsystèmes qui consiste à modéliser précisemment les microsystèmes et à utiliser des “modèles inverses” pour la compensation des nonlinéarités, des vibrations et des perturbations externes.

En se basant sur la modélisation et la commande par la méthode de Bouc-Wen, issues de nos travaux précédents en monovariable, des résultats sur la modélisation, l'identification des paramètres et la commande multivariable ont été obtenus. Une maquette d'expérimentations à base d'actionneur piézotube 3DDL (degrés de libertés) a été réalisée et des expérimentations de validation de la méthode sont en cours.

Les expérimentations de validation de la modélisation et de la commande des hystérésis multivariables sont en cours. Ces expérimentations effectuées, une soumission dans une revue et une soumission dans une conférence (ACC) seront prévues. Ensuite l'étude de la compensation des vibrations de microsystèmes multi-axes seront étudiées dans les mois à venir.

1 présentation qui prospecte le projet C-MUMS au sein de la communauté nationale durant le GDR-MNS-MNF à Bordeaux en juillet 2012.
2 chapitres de livres dans Springer-Verlag 2013

Les applications des systèmes miniaturisés, appelés microsystèmes, sont très larges : militaires, manipulation et caractérisation de cellules biologiques, microassemblage de petits composants tels que ceux de montres, spatiales, etc. Tandis que les microsystèmes monovariables (ayant un seul axe de mouvement) sont très répandus et commencent à être bien maitrisés, le développement de microsystèmes multivariables (plusieurs axes de mouvement, avec couplages) devient de plus en plus fréquent à cause du besoin de haute dextérité dans ces applications. En parallèle, le besoin de très hautes performances pour les microsystèmes a conduit ces dernières années à l’émergence remarquable de la commande des systèmes micromécatroniques, microrobots et des microsystèmes en général.

Les éléments caractérisant les microsystèmes rendant la synthèse de leur commande souvent difficile sont leurs non-linéarités (hystérésis, creep), leurs vibrations mal amorties, leur haute sensibilité face à la variation de température, et le faible ratio signal-bruit dans le micromonde. En plus, à cause des tailles petites des systèmes dans le micromonde, les performances demandées sont très sévères : précision micrométrique, dynamique élevée, etc. C’est la raison pour laquelle des commandes avancées prenant en compte ces éléments ont été utilisés (H-inf, commande par passivité, commande proportionnelle tension/fréquence, commande non-linéaire…). Cependant, les capteurs existant ayant les performances nécessaires pour le micromonde sont de dimensions grandes et chères. Ce sont les raisons pour lesquelles le développement de microsystèmes à haute performances (commandés) reste du domaine de la recherche (en laboratoire) et son industrialisation impossible.

L’objectif final de ce projet vise à résoudre ce verrou à la fois technologique et industriel. Deux originalités scientifiques sont proposées : 1) développement de techniques de self-sensing multivariable consistant à utiliser les actionneurs des microsystèmes comme capteurs à la fois, 2) et le développement de commande en boucle ouverte multivariable ne nécessitant pas de capteurs. Les difficultés majeures résident sur les caractéristiques des microsystèmes qui doivent être prises en compte : non-linéarités et haute sensibilité thermique, ainsi que sur le fait que ceux-ci sont multivariables.

Le projet sera structurée en 4 tâches : Task1 – la gestion globale du projet. Task2 – développement d’un microsystème multivarable utilisé comme benchmark. Task3 – self-sensing généralisé pour microsystèmes piézoélectriques multivariables. Task4 – commande en boucle-ouverte généralisé pour microsystèmes piézoélectriques multivariables.

Coordination du projet

Micky Rakotondrabe (Institut Franche-Comté Electronique, Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies) – mrakoton@femto-st.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

FEMTO-ST Institut Franche-Comté Electronique, Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies

Aide de l'ANR 177 245 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2012 - 42 Mois

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