Networked control systems (NCSs) are known as distributed control systems (DCSs) which are based on traditional feedback control systems but closed via a real-time communication channel. In an NCS, the control and feedback signals are exchanged among the system’s components in the form of information packages through the communication channel. The research of NCSs is important from the application perspective due to the significant advantages over the traditional point-to-point control. However, the insertion of the communication links would also bring challenges and constraints such as the network-induced delays, the missing packets, and the inter symbol interference (ISI) into the system design. In order to tackle these issues and move a step further toward industry applications, two important design problems are investigated in the control areas: Tracking Control (Chapter 2–Chapter 5) and Signal Estimation (Chapter 6–Chapter8). With the fact that more than 90% of control loops in industry are controlled by proportional-integral-derivative (PID) controllers, the first work in this thesis aims to propose the design algorithm on PID controllers for NCSs. Such a design will not require the change or update of the existing industrial hardware, and it will enjoy the advantages of the NCSs. The second motivation is that, due to the network-induced constraints, there is no any existing work on tuning the PID gains for a general NCS with a state-space model. In Chapter 2, the PID tracking control for multi-variable NCSs subject to time-varying delays and packet dropouts is exploited. The H_infty control is employed to attenuate the load disturbance and the measurement noise. In Chapter 3, the probabilistic delay model is used to design the delay-scheduling tracking controllers for NCSs. The tracking control strategy consists of two parts: (1) the feedforward control can enhance the transient response, and (2) the feedback control is the digital PID control. In order to compensate for the delays on both communication links, the predictive control scheme is adopted. To make full use of the delay information, it is better to use the Markov chain to model the network-induced delays and the missing packets. A common assumption on the Markov chain model in the literature is that the probability transition matrix is precisely known. However, the assumption may not hold any more when the delay is time-varying in a large set and the statistics information on the delays is inadequate. In Chapter 4, it is assumed that the transition matrices are with partially unknown elements. An observer-based robust energy-to-peak tracking controller is designed for the NCSs. In Chapter 5, the step tracking control problem for the nonlinear NCSs is in- vestigated. The nonlinear plant is represented by Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy linear model. The control strategy is a modified PI control. With an augmentation technique, the tracking controller design problem is converted into an H_infty optimization problem. The controller parameters can be obtained by solving non-iterative linear matrix inequality conditions. The state estimation problem for networked systems is explored in Chapter 6. At the sensor node, the phenomenon of multiple intermittent measurements is considered for a harsh sensing environment. It is assumed that the network-induced delay is time- varying within a bounded interval. To deal with the delayed external input and the non-delayed external input, a weighted H_infty performance is defined. A Lyapunov- based method is employed to deal with the estimator design problem. When the delay is not large, the system with delayed state can be transformed into delay-free systems. By using the probabilistic delay model and the augmentation, the H_infty filter design algorithm is proposed for networked systems in Chapter 7. Considering the phenomenon of ISI, the signals transmitted over the communication link would distort, that is, the output of the communication link is not the same with the input to the communication link. If the phenomenon occurs in the NCSs, it is desired to reconstruct the signal. In Chapter 8, a robust equalizer design algorithm is proposed to reconstruct the input signal, being robust against the measurement noise and the parameter variations. Finally, the conclusions of the dissertation are summarized and future research topics are presented. / Graduate

Ce mémoire de thèse est consacré à la conception de méthodes de diagnostic à base de modèles fondées sur les observateurs pour les systèmes non linéaires modélisés comme des systèmes singuliers (D) linéaires à paramètres variants (LPV), notés D-LPV (Descriptor-Linear Parameter Varying). Les systèmes D-LPV constituent une classe particulière de systèmes approximant avec un certain degré de précision la dynamique des systèmes complexes non linéaires à partir d’une combinaison de modèles linéaires locaux pondérés par des fonctions convexes d'ordonnancement. Dans le contexte de l’apparition de défauts capteurs ou actionneurs, ce travail de thèse s’attache aux systèmes pour lesquels ces fonctions d'ordonnancement sont non mesurables mais dépendent de l'état du système. Afin de détecter et isoler des défauts, ce travail de thèse développe des synthèses d'observateurs appropriés en développant des nouvelles conditions suffisantes en termes d’inégalités matricielles linéaires (LMI) pour garantir la synthèse de résidus sensibles aux défauts et robustes aux erreurs d’estimation inhérentes aux fonctions d'ordonnancement non mesurables. - Étendant des méthodes H∞ afin d’effectuer l'estimation d'état, la détection de pannes, la localisation et la reconstruction de défaut sur les capteurs ; - Garantissant une sensibilité “optimale” aux pannes vis-À-Vis du rejet de perturbations au travers le développement d’observateurs de type H_/H∞. À cette fin, le mémoire de thèse est organisé en cinq chapitres : Le Chapitre 1 est consacré à l’introduction générale, aux objectifs et contributions de ce travail. Le Chapitre 2 présente les éléments nécessaires pour décrire la représentation, la modélisation, les propriétés, l'analyse et la conception d'observateur pour les systèmes D-LPV ainsi qu’un état de l’art détaillé des travaux associés à ce thème de recherche. Le Chapitre 3 est dédié au développement de trois méthodes différentes fondées sur la théorie H∞ pour concevoir des observateurs de détection de défaut pour les systèmes D-LPV. Les méthodes proposées sont appliquées à un exemple dans le cadre de la détection de défaut capteurs. L’isolation de ces défauts est mise en œuvre au travers un banc d’observateurs et les performances de chacune des trois méthodes sont comparées. Le Chapitre 4 propose une méthode de détection de défauts sur la base d’observateurs établis sur le principe H_/H∞, tenant compte ainsi d'un meilleur compromis entre la sensibilité aux pannes et la robustesse aux perturbations. De nouvelles conditions suffisantes à l’aide de LMI sont proposées afin de résoudre le problème de synthèse du gain des observateurs. Le dernier chapitre est dédié à la conclusion générale et à l’analyse de problèmes ouverts pouvant être abordés dans des travaux futurs / This work is dedicated to the synthesis of model-Based fault detection and isolation (FDI) techniques based on observers for nonlinear systems modeled as Descriptor-Linear Parameter Varying (D-LPV) systems. D-LPV systems are a particular class of systems that can represent (or approximate in some degree of accuracy), complex nonlinear systems by a set of linear local models blended through convex parameter-Dependent scheduling functions. The global D-LPV System can describe both time-Varying and nonlinear behavior. Nevertheless, in many applications the time-Varying parameters in the scheduling functions could be unmeasurable. Models which depend on unmeasurable scheduling functions cover a wide class of nonlinear systems compared to models with measurable scheduling functions, but the design of control schemes for D-LPV systems with unmeasurable scheduling functions are more difficult than those with a measurable one, because the design of such control schemes involve the estimation of the scheduling vector. This topic is addressed in this work by considering the following main targets: • to design FDI in D-LPV systems based on -H∞ observers in order to guarantee robustness against disturbances and errors due the unmeasurable gain scheduling functions • to extend the proposed -H∞ methods to perform state estimation and fault detection, isolation and fault magnitude estimation in the case of sensor faults • to guarantee the best trade-Off between fault sensitivity and disturbance rejection by developing H_/H∞ fault detection observers for D-LPV systems. The thesis is organized as follows Chapter 1 is dedicated to provide a general introduction, the objectives and contribution of this work.Chapter 2 is organized in order to provide the minimum necessary elements to describe the representation, modeling, properties, analysis, and observer design of D-LPV systems. Chapter 2 is also dedicated to a detailed review of the state of the art. Chapter 3 is dedicated to the development of three different methods to design fault detection observers for D-LPV systems based on H∞ theory. Finally, the proposed methods are applied to an example, for sensor fault detection and isolation by means of an observer bank, in order to compare the performance of each method. Chapter 4 is dedicated to the design of a FDI method based on observers with H_/H∞ performance. Based on the H_/H∞ approach, which considers the best trade-Off between fault sensitivity and robustness to disturbance, adequate LMIs are obtained to guarantee sufficient conditions for the design problem. In order to illustrate the effectiveness of the proposed techniques, an example is considered

L'objectif de cette thèse était de développer des méthodes de synthèse d'observateurs offrant des conditions de synthèse non contraignantes. Trois méthodes ont été proposées et différentes classes de systèmes ont été traitées. La première est la méthode de transformation en système LPV basée sur l'utilisation du théorème des accroissements finis (DMVT). Cette technique, qui fournit des conditions de synthèse non restrictives, est étendue à plusieurs classes de systèmes non linéaires tels que les systèmes non différentiables, les systèmes à sorties non linéaires, les systèmes à entrées inconnues, les systèmes à retard et les systèmes à temps discret. La seule limitation liée à la méthode est le fait qu'elle n'est applicable que pour des non-linéarités à jacobiennes bornées. Afin de surmonter cette limitation, une deuxième méthode est obtenue en combinant la technique du DMVT avec une nouvelle structure d'observateurs de type Luenberger généralisés. Grâce à cette structure, de nouvelles conditions de synthèse sont établies. Ces conditions sont valables même si la jacobienne de la non-linéarité n'est pas bornée. Par ailleurs, une nouvelle méthode de synthèse d'observateurs spécifique aux systèmes à temps discret est également proposée. Cette méthode utilise la condition de Lipschitz conjointement avec la fonction de Lyapunov standard. Des améliorations, qui permettent d'obtenir des conditions de synthèse non contraignantes, sont ensuite proposées en faisant appel à une nouvelle fonction de Lyapunov plus générale (qui tient compte de la non-linéarité du système) et à un observateur de Luenberger généralisé (OLG) qui permet de réduire l'effet de la constante de Lipschitz. Enfin, les résultats obtenus sont validés par une application à la synchronisation et au cryptage/décryptage dans les systèmes de communications chaotiques