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Modélisation et commande d"un dirigeable gros porteur dédié autransport de matières premières

par

Elyes HAOUAS

MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L"ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE COMME EXIGENCE PARTIELLE À L"OBTENTION DE LA MAÎTRISE

AVEC MÉMOIRE EN GÉNIE AÉROSPATIAL

M.Sc.A.

MONTRÉAL, LE 23 NOVEMBRE 2018

ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC

Elyes Haouas, 2018

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support une partie ou la totalité de cette oeuvre à condition de mentionner l"auteur, que ces utilisations soient

faites à des fins non commerciales et que le contenu de l"oeuvre n"ait pas été modifié.

PRÉSENTATION DU JURY

CE MÉMOIRE A ÉTÉ ÉVALUÉ

PAR UN JURY COMPOSÉ DE:

Mme. Ouassima Akhrif, Directrice de Mémoire

Département génie électrique : École de technologie supérieure

M. Handy Fortin Blanchette, Co-directeur

Département génie électrique : École de technologie supérieure

M. Guy Gauthier, Président du Jury

Département de génie de la production automatisée : École de technologie supérieure

M. Francis Okou, Examinateur Externe

Département de génie électrique et génie informatique : Collège militaire royal du Canada

IL A FAIT L"OBJET D"UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC

LE "26 OCTOBRE 2018"

À L"ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

REMERCIEMENTS

Je tiens à exprimer mes remerciements et ma gratitude àMme. Ouassima Akhrif, ma directrice

de recherche pour m"avoir donné cette opportunité de réaliser ce travail, pour son soutien, ses

précieux conseils ainsi que son implication quotidienne dans ce travail de recherche. apport scientifique, ses précieux conseils et pour son implication quotidienne dans ce travail. Je remercie de même mon collègueM. Kevin Mezquitapour son aide et ses apports durant la réalisation de ce travail. J"aimerais aussi remercierM. Jérémy Chambonpour son aide et ses conseils.

J"aimerais tout simplement dire merci à tous ceux qui, de près ou de loin, ont participé à

l"accomplissement de ce travail. MODÉLISATION ET COMMANDE D"UN DIRIGEABLE GROS PORTEUR DÉDIÉ

AU TRANSPORT DE MATIÈRES PREMIÈRES

Elyes HAOUAS

RÉSUMÉ

L"objectif de notre travail est la modélisation et la commande d"un dirigeable.

La première étape concerne le développement d"un modèle incluant la cinématique et la dyna-

mique du dirigeable. La cinématique est présentée en utilisant la méthode des angles d"Euler,

qui décrit l"orientation d"un corps rigide par rapport à un système de coordonnées fixes. La

modélisation dynamique consiste à la dérivation du modèle mécanique de vol non linéaire du

dirigeable. Il incorpore les lois classiques de la mécanique newtonienne utilisées pour la dériva-

tion des équations du mouvement. Considéré comme un corps rigide, le modèle du dirigeable

est composé de six degrés de liberté (6DOF), trois translations et trois rotations.

Le contrôle du dirigeable a été traité selon deux différentes approches. La première approche

consiste à concevoir un correcteur linéaire basé sur une approximation linéaire du modèle

non linéaire. La deuxième approche repose sur des changements de variables au niveau des

variables d"états et des entrées permettant d"obtenir un modèle linéaire. Un contrôleur utilisant

la technique de backstepping basé sur la théorie de Lyapunov et sur une boucle de rétroaction

pour la stabilisation avec planification de trajectoire pour le ballon dirigeable a été conçu. La

robustesse du contrôleur a été étudiée en présence de perturbations en utilisant une commande

PI-backstepping.

Des simulations ainsi que des analyses portant sur les résultats obtenus ont été effectuées pour

les deux types de commande. Le pouvoir de contrôle des surfaces de contrôle et les temps de

réponses des modèles d"état longitudinal et latéral ont été décelés. Les performances du contrô-

leur par backstepping ainsi que l"effet de l"action intégrale ajoutée ont été mis en évidence.

Mots clés:Dirigeable, modélisation, linéarisation, contrôl, non linéaire, backstepping, action

intégrale, robustesse. MODELING AND CONTROL OF A LARGE AIRSHIP DEDICATED TO THE

TRANSPORT OF RAW MATERIALS

Elyes HAOUAS

ABSTRACT

The goal of our work is the modeling and control of an airship. The first step concerns the development of a model including the kinematics and dynamics of the airship. The kinematics are presented using Euler angles approach, which describes the orientation of a rigid body with respect to a fixed coordinate system. Dynamic modeling consists of the derivation of the nonlinear flight mechanical model of the airship. It incorpo- rates the classical laws of Newtonian mechanics used for derivation of equations of motion. Considered as a rigid body, the model of an airship should consist of six degrees of freedom (6DOF) three translations and three rotations. Control of the airship was handled according to two different approaches. The first approach is approach is based on change of coordinates at the level of state variables and inputs to obtain a linear model. A controller using the Lyapunov theory-based backstepping technique and a feedback loop for trajectory stabilization for the airship has been designed. The robustness of the controller has been studied in the presence of disturbances using a PI-backstepping command. Simulations and analysis of the results obtained were carried out for both approaches. The control surface control power and the response times of longitudinal and lateral state models were detected. The performance of the controller by backstepping as well as the effect of the added integral action have been highlighted. Keywords:Airship, modeling, linearization, control, non linear, backstepping, integral action, robustness.

TABLE DES MATIÈRES

Page INTRODUCTION................................................................................ 1 CHAPITRE 1 BALLONS DIRIGEABLES : ÉTAT DE L"ART............................ 9

1.1 Introduction............................................................................... 9

1.2 Historique................................................................................11

1.3 Classification ............................................................................11

1.4 Domaines d"application .................................................................13

1.4.1 Transport de charge...........................................................13

1.4.2 Plateformes stratosphériques .................................................14

1.4.3 Exploration planétaire ........................................................14

1.4.4 Sauvetage en milieu inaccessible............................................15

1.4.5 Observation....................................................................15

1.4.6 Publicité.......................................................................15

1.5 Description de fonctionnement .........................................................15

1.5.1 Constitution du dirigeable....................................................15

1.5.2 Avantages et inconvénients...................................................18

1.5.3 Fonctionnement...............................................................19

1.5.4 Statut actuel du développement mondial des dirigeables ...................23

1.5.5 Projet LTA aerostructures Inc. ................................................24

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