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L’ENERGIE DANS LES SYSTEMES ASSERVIS

by Mathilde on 6 juin 2018

Au fil des années, les voiliers de course au large n’ont cessé d’évoluer en terme d’architecture, dans le choix des matériaux et des profils pour gagner toujours plus en performance. Parmi ces dernières avancées, l’électronique et l’informatique sont devenues des points majeurs afin d’optimiser le réglage de ces voiliers et assister le skipper dans le pilotage.

Faisons le point sur l’électronique à bord (Figure 1). Sur un voilier de course, des dizaines de données (vent, vitesse du bateau, etc.) sont mesurées par des capteurs. L’ensemble de ces données sont récupérées, traitées et stockées par une centrale de navigation (Bravo 4). Un nombre important de capteurs peut être relié à la centrale grâce aux MiniNodes, ce sont de petits modules d’acquisition qui transmettent les informations capteurs. Ils permettent de décupler les capacités de connexion de la centrale de navigation. Les données traitées par la centrale servent ensuite soit à analyser les performances du bateau, soit sont transmises aux différents systèmes d’aide à la navigation (soft de routage, d’analyse tactique, affichage, etc.) et systèmes d’asservissement (MAD Controller DCMotor), notamment au pilote automatique (MAD Brain Autopilot).

Figure 1 : L’électronique d’un voilier asservi

Un pilote automatique est constitué de deux boucles d’asservissement successives. Une boucle « générale », l’asservissement du pilotage, qui est géré par le MAD Brain. C’est dans cette première boucle que réside tout le savoir-faire et l’intelligence du pilote. Son rôle est de déterminer l’angle de barre qui va permettre au bateau de respecter la consigne spécifiée par le skipper (un cap à suivre, un angle de vent apparent à respecter, etc.). Afin de déterminer l’angle de barre adéquat, l’algorithme d’asservissement du pilotage s’appuie sur l’ensemble des informations renvoyées par la centrale de navigation (vitesse, vent apparent/réel, etc.). Cette consigne d’angle est ensuite transmise au MAD Controller qui se charge de la faire respecter. Il s’agit de la seconde boucle, l’asservissement de l’actionneur. Le MAD Controller gère la puissance électrique appliquée au vérin ou à la pompe hydraulique pour actionner la barre. Son rôle est donc d’ajuster cette puissance à la fois en fonction de la consigne d’angle de barre transmise par le MAD Brain mais également de la position actuelle de la barre directement réceptionnée via le capteur de barre ou via la centrale si un traitement de la mesure est nécessaire (ex : cas d’une installation avec deux capteurs (tricky sensor)).

L’ensemble de ces boucles d‘asservissement assiste le skipper dans le maniement du bateau, assure certaines fonctions de sécurité (anti-chavirage, etc.). Cependant, manœuvrer un safran ou un foil est énergivore, de fortes puissances doivent être déployées. Les boucles d’asservissement mises en place dans le pilotage et le contrôle des actionneurs doivent prendre en compte ce critère au risque de se retrouver sans énergie à bord. Et sans énergie, le bateau devient beaucoup plus difficile à gérer, il est fortement conseillé de regagner le port (arrêt du déssalinisateur, perte des données de géolocalisation, de la communication, obligation de barrer 24h/24h, etc.).

Cet article a donc pour but d’expliquer comment Madintec intègre la dimension énergétique en parallèle de la performance dans ses développements. Il décrit tout le processus de dimensionnement des systèmes, des actionneurs au stockage électrique, permettant de gérer au mieux le critère énergie dans un asservissement. Ce travail permet à Madintec de maîtriser au mieux la consommation due au pilotage (barre ou foil) mais aussi d’améliorer la précision des asservissements grâce à une meilleure connaissance du système de puissance.

Electronique et énergie

Pour illustrer ces propos, prenons l’exemple de la boucle d’asservissement d’un actionneur, le contrôle du « cant » d’un foil à l’aide d’un vérin électrique.

Avant de pouvoir parler de puissance électrique, il est nécessaire de déterminer les puissances mécaniques en jeu. En effet, la puissance électrique sert avant tout à provoquer un effort mécanique permettant de manœuvrer le foil. Ces mesures ou estimations d’effort sont réalisées par les architectes ou bureaux d’études des teams à l’aide d’outils de modélisation ou bien par l’instrumentation directe du bateau. Les forces/charges appliquées sur le foil sont ensuite récupérées pour procéder au dimensionnement des actionneurs.

Pour être en mesure de restituer la force qui permettra de déplacer le foil, il faut correctement dimensionner le vérin qui viendra le manœuvrer. Il est important de décomposer l’ensemble des éléments qui le constitue pour en connaître le comportement. Un vérin électrique est composé d’un moteur à courant continu qui transforme l’énergie électrique en énergie mécanique, d’un réducteur, d’un système vis-écrou et d’une tige qui transforment et restituent les efforts mécaniques générés par le moteur. À travers la modélisation, il est possible de maîtriser complètement le comportement de chacun de ces éléments notamment en terme de perte énergétique. En effet, l’énergie transmise au moteur ne sera pas entièrement restituée au foil, on parle de rendement énergétique. Un moteur à courant continu subira des pertes électriques et magnétiques qui se traduisent par un échauffement (pertes Joule et pertes Fer), ainsi que des pertes mécaniques dues au frottement du rotor. Le réducteur, le système vis-écrou et la tige sont également soumis à des frottements et jeux mécaniques qui se répercutent en pertes énergétiques (Figure 2).  Connaissant la puissance mécanique à appliquer sur le foil, le comportement de chacun des éléments constituant le vérin (donc son rendement), il est alors possible de déterminer la puissance électrique à appliquer au moteur afin que celui-ci puisse restituer l’effort mécanique nécessaire.

Figure 2 : Vérin électrique

La connaissance des puissances ne permet toutefois pas encore de parler d‘énergie. En effet, l’énergie correspond à l’application d’une puissance sur une certaine durée. Il est donc nécessaire de connaître de quelle façon sera sollicité le vérin électrique. C’est le rôle du MAD Controller de contrôler le vérin et donc de gérer cet asservissement (respect d’une consigne d’angle). Il est alors important de mettre en place des stratégies de contrôle adaptées afin de garantir la précision du système tout en réduisant le caractère énergivore du déplacement d’un foil. Quelques stratégies de contrôles seront détaillées dans la suite de ce document.

La connaissance de ces stratégies permet de connaître la manière dont sera sollicité le vérin et ainsi la consommation énergétique nécessaire à l’asservissement d’un foil. Or, pour pouvoir être en mesure de fournir cette énergie au système, il faut être en mesure de la stocker. Il est alors important de dimensionner correctement le stockage énergétique. Le dimensionnement du stockage et le choix d’une technologie adaptée s’effectuent après avoir passé en revue les points suivants :

  • Étude fréquentielle du système de stockage (À quelle fréquence est sollicitée le système de stockage énergétique autant d’un point de vue consommation que production d’énergie ?)
  • Estimation des appels de courant (Dans quelle mesure est-il sollicité ? Quelles puissances sont en jeu ?)
  • Détermination de la capacité utile (Quelle quantité d’énergie est nécessaire ? Quelle quantité d’énergie le système de stockage sera-t-il en mesure de restituer et ceci sans altération ? Quelles sont les marges de sécurité ?)
  • Définition des contraintes (poids, encombrement, coût financier et environnemental)

L’ensemble de ces points pris en compte, il est ensuite possible de sélectionner une technologie de stockage adaptée (gazole, méthanol, batterie Li-ion, Pb, supercapacité, etc.). En effet, à chaque technologie correspond un usage précis (Figure 3). Par exemple, le gazole, qui a une énergie massique très importante (environ 1kWh/kg), sera utilisé pour du stockage long terme. Il permet d’emporter un grande quantité d’énergie pour un poids modéré. Il ne supporte cependant pas les sollicitations trop fréquentes. Il n’est en effet pas conseillé de démarrer une génératrice toutes les deux minutes, la génératrice a un rendement très faible au démarrage, les pertes énergétiques seraient bien trop importantes. C’est pourquoi il est souvent d’usage de transférer cette énergie sur des batteries Lithium-ion qui ont une énergie massique moindre (environ 100Wh/kg) mais qui supportent une sollicitation beaucoup plus fréquente. Elles seront utilisées pour un stockage moyen terme. A l’extrême, on retrouve les supercapacités qui permettent de générer une puissance beaucoup plus importante que les deux technologies précédentes (environ 5kW/kg contre 200W/kg pour les batteries Li-ion) mais qui seront utilisées pour du stockage court terme car très lourdes énergétiquement (environ 10Wh/kg). Cette technologie sert par exemple à déplacer la quille d’un bateau.

Figure 3 : Diagramme de Ragone (source: ac-nantes.fr)

L’ensemble de ces étapes nous permet ainsi de connaître les besoins énergétiques nécessaires au déplacement d’un foil, de la puissance mécanique à exercer en passant par le rendement énergétique du vérin, les puissances électriques à fournir et les capacités et caractéristiques du stockage. Ce comportement connu, quelles stratégies de contrôle relatives à l’énergie pourraient être mises en place ?

Stratégies “énergétiques”

Madintec, parmi d’autres développements, travaille sur la mise en place des stratégies suivantes dans le contrôle de ses actionneurs. L’équipe s’engage à réduire la consommation des équipements tout en garantissant au minimum un même niveau de précision que les systèmes actuels.

  • L’optimisation du rendement du moteur

Un moteur électrique a un rendement énergétique pouvant varier de 30% à 80% selon ses différents points de fonctionnement. Une part importante de l’énergie peut donc être perdue si les commandes transmises au moteur ne sont pas bien définies par rapport à la charge à déplacer. Les stratégies de contrôle appliquées par Madintec cherchent à maximiser ce rendement moteur en sélectionnant des accélérations et des vitesses de déplacement adaptées. Il ne s’agit donc pas simplement de déplacer un foil d’un point A à un point B mais de trouver le meilleur chemin pour que le moteur soit le plus efficace possible. La maîtrise du système nous permet de quantifier l’énergie que l’on souhaite allouer à la manœuvre.

  • La mise en place d’un contrôle « pondéré »

Les deux critères principaux dans la mise en place des stratégies de contrôle sont la performance et la consommation énergétique. Madintec exprime ces deux critères à l’aide de fonctions de coût représentatives de ces critères. Le contrôleur génère ainsi des commandes qui vont permettre de minimiser ou maximiser ces fonctions (minimiser la consommation/maximiser la performance). Une pondération peut être mise en place afin de privilégier l’un ou l’autre de ces critères. On pourra ainsi effectuer une balance de ces pondérations en fonction des objectifs du skipper. Il est également possible pour cela de se baser sur le bilan énergétique actuel du bateau. On peut aussi imaginer se baser sur un bilan sous 24h en effectuant des estimations de production et consommation énergétique connaissant la route approximative du bateau. Ces travaux sont toujours en cours mais nous obtenons des résultats très encourageants.

Afin de mettre en place ces stratégies, Madintec se base sur la théorie de la commande optimale qui fait partie des sciences de l’automatique. Ce type de commande est largement utilisé en aéronautique. Il va plus loin que le simple correcteur PID (Proportionnel Intégral Dérivé) actuellement utilisé par les pilotes ancienne génération et que l’on retrouve aussi dans les systèmes de production. Ce type de correcteur ne suffisait en effet plus pour répondre aux nouveaux besoins de la course au large en terme d’asservissement toujours plus exigeants (pilotage des foils, pilotage 3D, commande multicritère (performance, énergie)).

Actuellement, l’équipe de Madintec continue ses travaux de recherche et développement pour intégrer au mieux la dimension énergétique tout en garantissant (voir améliorant) un même niveau de performance que l’état de l’art. La consommation énergétique d’un pilote automatique représente une grosse part de la consommation totale d’un bateau. En travaillant uniquement sur la boucle d’asservissement actionneur (commande en puissance du vérin électrique), Madintec est parvenu à des gains importants en terme de consommation énergétique. Ces résultats nous ouvrent de belles perspectives pour la suite de nos développements. Madintec poursuit à présent ses travaux en ne se basant plus uniquement sur la boucle d’asservissement de l’actionneur mais sur l’asservissement complet du pilotage. Un travail plus approfondi sur les algorithmes permettra de supprimer au maximum les mouvements parasites du pilote et de réduire encore ainsi la consommation énergétique.

Dans quelques années, peut-être nous serons capables de passer sur des voiliers fonctionnant uniquement avec des énergies vertes. Les voiliers actuels sont déjà suffisamment instrumentés. En maîtrisant au mieux les consommations, nous pourrons davantage exploiter ce réseau et obtenir des voiliers autonomes en énergie.

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