Le moteur à réluctance variable (MRV) est en train de gagner beaucoup d'intérêt dans les applications de traction électrique grâce à la compatibilité significative entre ses caractéristiques naturelles et les exigences de l'industrie automobile. Cependant, à cause de la caractéristique fortement non linéaire des grandeurs électromagnétiques du MRV, l'usure du moteur, les variations paramétriques dues aux tolérances de fabrication, et la dérive des paramètres durant le fonctionnement, les stratégies de commande classique ne permettent pas d'assurer des hautes performances de suivi de trajectoire et de robustesse en stabilité dans l'environnement de fonctionnement d'un véhicule électrique. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de commande robustes du MRV en prenant en considération les contraintes imposées par les applications de traction. Afin d'atteindre cet objectif, une structure de commande en cascade, composée d'une boucle externe de vitesse et d'une boucle interne de courant, est envisagée. Les objectifs de synthèse sont ensuite fixés à travers un cahier des charges formulé en termes de gabarits fréquentiels, et les correcteurs robustes et adaptatifs de vitesse et de courant sont ainsi synthétisés en se basant sur les approches de commande H-infini et LPV/H- infini. La faisabilité des correcteurs constitue également un critère important dans les applications de traction électrique où la puissance de calcul embarqué dans le véhicule est très limitée. Ce critère est pris en considération dans cette thèse à travers l'utilisation des approches de synthèse des correcteurs H- infini d'ordre fixe. Les performances de ces correcteurs sont analysées et comparées avec les performances des correcteurs H- infini classiques à travers une étude par la μ-analyse de la robustesse en stabilité et une évaluation expérimentale. Le deuxième objectif de ces travaux de thèse est d'évaluer l'intérêt de la commande sans capteurs mécanique du MRV en se basant sur des méthodes d'estimation. Des observateurs robustes basés sur les modes glissants et le filtrage de Kalman sont ainsi synthétisés. Les performances et la robustesse de ces observateurs sont ensuite comparées expérimentalement dans une perspective d'une application de traction électrique. / The switched reluctance motor (SRM) is gaining much interest in electric vehicle applications. It includes robustness to harsh operational conditions, rugged structure, fault tolerant operation and a wide range of speed. However, due to the highly nonlinear electromagnetic characteristic, wear and tear of motor, manufacturing tolerances and parameters drift during operation, classical control strategies do not ensure high dynamical performance and robustness under various operating conditions in electric vehicle environment. In this context, the first purpose of this thesis is to propose robust control strategies of the SRM taking into account the constraints imposed by electric vehicle applications. To achieve this objective, a cascade control scheme is adopted; it consists of an outer speed loop and an inner current loop. Controllers design aims are fixed through specifications formulated in frequency domain, robust and adaptive controllers of speed and currents are thus synthesized based on H- infini and LPV/H- infini control approaches. Feasibility of these controllers is also an important criterion in electric vehicles applications where embedded computing power is very limited. This criterion is taken into account in this thesis by using fixed order controller synthesis approaches. The performances of these controllers are analyzed and compared with the performances of standard H- infini controllers through an experimental evaluation and a robustness analysis is performed using the concept of the Singular Structured Value, i.e. the μ-analysis. The second objective of this thesis is to assess the interest of the sensorless control of SRM. Robust observers based on second order sliding mode (SMO2) and Kalman filtering techniques (EKF) are designed to estimate the mechanical states of SRM. Performances and robustness of these observers are then compared experimentally in perspective of electric vehicle application.

Les systèmes énergétiques désignent une classe de systèmes dont les spécificités structurelles et fonctionnelles posent la question de la distribution de l’énergie, en temps réel, pour satisfaire des services. Cette problématique multi-objectifs, nommée énergétique, a pour solution une stratégie de gestion,dont la conception représente un problème ouvert. Les verrous étudiés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre d’un partenariat industriel et en particulier celui des démarches de conception systémique. Trois contributions sont apportées. La première est une méthodologie de conception modulaire et générique de la stratégie énergétique, pour les systèmes multi-clients et multi-sources. Elle définit deux types d’éléments fonctionnels : les clients et les sources, interagissant par le biais d’un nœud, porteur de la stratégie. La seconde traite la simplification de la stratégie par une décomposition selon deux problématiques déjà connues de la littérature : l’hybridation de sources et la concurrence de clients. La troisième porte sur la sélection d’algorithmes novateurs ou existants, compatibles avec une cible temps réel, pour exécuter la stratégie. Enfin, la stratégie énergétique d’un camion frigorifique disposant d’une architecture énergétique hybride série est conçue par notre approche modulaire, et la faisabilité algorithmique est validée en simulation. / The energy systems describe a class of systems whose from structural and functional characteristics raise the problem of the energy distribution to satisfy the services in real time. The solution of this multi-objectives problem, namely energetic, is the energy management strategy, whose design is still an open problem. The solutions studied in this thesis are incorporated in the framework of an industrial partnership and particularly in those systemic design approaches. The first contribution is a methodology of modular and generic design of the energy management strategy, for the multi- clients and multi-sources systems. It defines two types of functional elements: the clients and the sources, interacting through a node, which is the carrier of thestrategy. The second contribution deals with thegeneric formulation of the strategy and itssimplification by means of decomposition in accordance with two problems: the hybridization of sources and the competition of clients, which a real ready known in the literature. The third contribution is partial to the selection of innovative or existing algorithms, which are compatible with a real-time target to execute the strategy. Finally, the energy strategy of a refrigerated truck with a hybrid energy architecture is designed by the proposed modular approach, and the algorithm feasibility is validated by the simulation.

L’atténuation des bruits gênants dans une automobile est classiquement réalisée par ajustement des caractéristiques mécaniques du véhicule : masse, raideur et amortissement. C’est une approche dite passive. Malheureusement, elle induit un ajout de masse important pour traiter les basses fréquences. Le contrôle actif de bruit (atténuation d’un bruit par superposition d’un contrebruit) est actuellement envisagé comme une solution possible à ce problème. L’objectif de cette thèse est d’évaluer les performances atteignables par cette solution. Un système acoustique étant par essence fortement résonant, sa modélisation sur une large plage de fréquence conduit à des modèles d’ordre élevé, pour l’obtention desquels une méthode d’identification appropriée doit être utilisée. C’est la méthode dessous espaces par approche fréquentielle dans le domaine continu qui a été retenue.La traduction du cahier des charges conduit à un problème de régulation multivariable H1 multi-objectif et multi-modèle avec contrainte de stabilité forte. Par ailleurs, actionneurs et capteurs ne sont pas colocalisés et on ne mesure pas la perturbation à rejeter. La volonté d’évaluer au plus près les performances atteignables justifie la résolution du problème par optimisation non lisse. Cette approche évite tout pessimisme, mais nécessite de par son caractère local une bonne initialisation et une structuration du régulateur parcimonieuse.La méthodologie proposée a été validée en simulation et expérimentalement. Elle permet une évaluation et une comparaison précises des performances atteignables en fonction des contraintes sur les mesures et les moyens d’action disponibles. / Classical methods used for noise reduction in cars are based on adjusting the mechanical properties: mass, stiffness and damping. They are qualified as passive and induce significative addition of weight for reducing low frequency noises. Active noise control is seen as a possible solution to achieve low frequency noise attenuation and weight reduction.The goal of this work is to evaluate achievable performances with such solution.Acoustic enclosures are known to be resonant systems of highorder. Obtaining a model of it, therefore requires a suitable identification method. The approach chosen is based on subspace methods. It processes data in the frequency domain for obtaining a continuous time model.The control problem derived from the specifications is a MIMO H1, multi-objective and multi-model problem with a strong stability constraint. Futhermore, actuators and sensors are not-colocated, and no measure of the disturbance is available. In order to precisely evaluate the achievable performances, this problem is solved using non smooth optimization.Such approach ensures the absence of pessimism, but requires an appropriate initialization and a parsimonious controller structure, because it does not ensure convergence toward the global optimum. The proposed methodology was validated in simulation and experimentally. It allows a precise evaluation and comparison of achievable performances according to the constraints on available measures and means of action.

In recent years, the security of networked control systems (NCSs) has been an important challenge for many researchers. Although the security schemes for networked control systems have advanced in the past several years, there have been many acknowledged cyber attacks. As a result, this dissertation proposes the use of a novel time-delay switch (TDS) attack by introducing time delays into the dynamics of NCSs. Such an attack has devastating effects on NCSs if prevention techniques and countermeasures are not considered in the design of these systems. To overcome the stability issue caused by TDS attacks, this dissertation proposes a new detector to track TDS attacks in real time. This method relies on an estimator that will estimate and track time delays introduced by a hacker. Once a detector obtains the maximum tolerable time delay of a plant’s optimal controller (for which the plant remains secure and stable), it issues an alarm signal and directs the system to its alarm state. In the alarm state, the plant operates under the control of an emergency controller that can be local or networked to the plant and remains in this stable mode until the networked control system state is restored. In another effort, this dissertation evaluates different control methods to find out which one is more stable when under a TDS attack than others. Also, a novel, simple and effective controller is proposed to thwart TDS attacks on the sensing loop (SL). The modified controller controls the system under a TDS attack. Also, the time-delay estimator will track time delays introduced by a hacker using a modified model reference-based control with an indirect supervisor and a modified least mean square (LMS) minimization technique. Furthermore, here, the demonstration proves that the cryptographic solutions are ineffective in the recovery from TDS attacks. A cryptography-free TDS recovery (CF-TDSR) communication protocol enhancement is introduced to leverage the adaptive channel redundancy techniques, along with a novel state estimator to detect and assist in the recovery of the destabilizing effects of TDS attacks. The conclusion shows how the CF-TDSR ensures the control stability of linear time invariant systems.

Cette thèse s’intéresse au développement d’un contrôleur sûre et robuste en tant que partie intégrante d’un pancréas artificiel. Plus précisément, nous sommes intéressés à contrôler la partie du traitement usuel qui a pour but d’équilibrer la glycémie du patient. C’est ainsi que le développement d’une commande prédictive nonlinéaire robuste basée sur la résolution d’un problème de point selle a été envisagé. Afin de valider les performances du contrôleur dans une situation réaliste, des simulations numériques en utilisant une plate-forme de tests validée par la FDA sont envisagées.Dans une première partie, nous présentons une extension de la classique commande prédictive nonlinéaire dont le but est d’assurer le contrôle robuste de systèmes décrits par des équations différentielles ordinaires non linéaires dans un cadre échantillonné. Ce contrôleur, qui calcule une action de contrôle adéquate en considérant la solution d’un problème de point selle, est appelé saddle point model predictive controller (SPMPC). En utilisant cette commande, il est prouvé que le système converge en temps fini dans un espace borné et, en supposant une certaine structure dans le problème, qu’il est pratiquement stable entrée-état. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la résolution numérique. Pour ce faire, nous proposons une méthode de résolution inspirée de la méthode du Langrangien augmenté et qui fait usage de modèles adjoints.Dans un deuxième temps, nous considérons l’application de ce contrôleur au problème du contrôle artificiel de la glycémie. Après une phase de modélisation, nous avons retenu deux modèles : un modèle simple qui est utilisé pour développer la commande et un modèle complexe qui est utilisé comme un simulateur réaliste de patients. Ce dernier est nécessaire pour valider notre approche de contrôle. Afin de calculer une entrée de commande adéquate, la commande SPMPC a besoin de l’état complet du système. Or, les capteurs ne peuvent fournir qu’une valeur du glucose sanguin. C’est pourquoi le développement d’un observateur est envisagé. Ensuite, des simulations sont réalisées. Les résultats obtenus témoignent de l’intérêt de l’approche retenue. En effet, pour tous les patients, aucune hypoglycémie n’a été observée et le temps passé en état hyperglycémique est suffisamment faible pour ne pas être dommageable. Enfin, l’intérêt d’étendre l’approche de commande SPMPC au problème de contrôle de systèmes décrits par des équations différentielles retardées non linéaires dans un cadre échantillonné est formellement investigué. / This thesis deals with the design of a robust and safe control algorithm to aim at an artificial pancreas. More precisely we will be interested in controlling the stabilizing part of a classical cure. To meet this objective, the design of a robust nonlinear model predictive controller based on the solution of a saddle point optimization problem is considered. Also, to test the controller performances in a realistic case, numerical simulations on a FDA validated testing platform are envisaged.In a first part, we present an extension of the usual nonlinear model predictive controller designed to robustly control, in a sampled-data framework, systems described by nonlinear ordinary differential equations. This controller, which computes the best control input by considering the solution of a constrained saddle point optimization problem, is called saddle point model predictive controller (SPMPC). Using this controller, it is proved that the closed-loop is Ultimately Bounded and, with some assumptions on the problem structure, Input-to State practically Stable. Then, we are interested in numerically solving the corresponding control problem. To do so, we propose an algorithm inspired from the augmented Lagrangian technique and which makes use of adjoint model.In a second part, we consider the application of this controller to the problem of artificial blood glucose control. After a modeling phase, two models are retained. A simple one will be used to design the controller and a complex one will be used to simulate realistic virtual patients. This latter is needed to validate our control approach. In order to compute a good control input, the SPMPC controller needs the full state value. However, the sensors can only provide the value of blood glucose. That is why the design of an adequate observer is envisaged. Then, numerical simulations are performed. The results show the interest of the approach. For all virtual patients, no hypoglycemia event occurs and the time spent in hyperglycemia is too short to induce damageable consequences. Finally, the interest of extending the SPMPC approach to consider the control of time delay systems in a sampled-data framework is numerically explored.

The study of non-linear input-output maps can be summarized by three concepts: Gain, Positivity and Dissipativity. However, in order to make efficient use of these theorems it is necessary to use loop transformations and weightings, or so called ”multipliers”.The first problem this thesis studies is the feedback interconnection of a Linear Time Invariant system with a memoryless bounded and monotone non-linearity, or so called Absolute Stability problem, for which the test for stability is equivalent to show the existence of a Zames-Falb multiplier. The main advantage of this approach is that Zames–Falb multipliers can be specialized to recover important tools such as Circle criterion and the Popov criterion. Albeit Zames-Falb multipliers are an efficient way of describing non-linearities in frequency domain, the Fourier transform of the multiplier does not preserve the L1 norm. This problem has been addressed by two paradigms: mathematically complex multipliers with exact L1 norm and multipliers with mathematically tractable frequency domain properties but approximate L1 norm. However, this thesis exposes a third factor that leads to conservative results: causality of Zames-Falb multipliers. This thesis exposes the consequences of narrowing the search Zames-Falb multipliers to causal multipliers, and motivated by this argument, introduces an anticausal complementary method for the causal multiplier synthesis in [1].The second subject of this thesis is the feedback interconnection of two bounded systems. The interconnection of two arbitrary systems has been a well understood problem from the point of view of Dissipativity and Passivity. Nonetheless, frequency domain analysis is largely restricted for passive systems by the need of canonically factorizable multipliers, while Dissipativity mostly exploits constant multipliers. This thesis uses IQC to show the stability of the feedback interconnection of two non-linear systems by introducing an equivalent representation of the IQC Theorem, and then studies formally the conditions that the IQC multipliers need. The result of this analysis is then compared with Passivity and Dissipativity by a series of corollaries.

L'objectif de cette thèse est la conception, dans un premier temps, des différentes stratégies de commande pour un générateur hybride composé par une pile à combustible et une source auxiliaire de stockage d'énergie. L'outil des Inégalités Linéaires Matricielles (LMI) est utilisé dans la thèse pour la solution du problème de la commande robuste et multi-variables. Dans un premier temps la commande se consacre à la gestion de la partie électrique de la pile. Des stratégies de commande sont proposées pour les convertisseurs élévateurs du bus continu mais aussi pour le contrôle d'un onduleur de tension conçu pour une opération en mode isolé du réseau. La validation d'une partie du contrôle sous un banc d'essai a été réalisée. Dans un deuxième temps, la commande de la partie fluidique de la pile a été traitée. La gestion de la dynamique de l'air en entrée de la pile est assurée par la commande du débit du compresseur. Le sous-système de compression d'air est régulé pour garantir un certain taux d'excès d'oxygène désiré, ce qui permet d'améliorer les performances de la pile. Une introduction au contrôle des systèmes à paramètres variants (LPV) est aussi présentée. Des études de robustesse des contrôleurs proposés ont été effectuées, et ces caractères robustes sont comparés avec plusieurs méthodes de commande classique, prouvant ainsi l'importance des méthodologies de commande robuste et multi-variables. / The objective of this thesis is the design of several control strategies for a hybrid power generator composed by a fuel cell and an auxiliary energy storage source. The Linear Matrix Inequalities (LMI) tools are extensively used in this dissertation as a solution to the mutivariable robust control problem. As a first approach, the control methodology is consecrated to the electrical power management sub-system of the fuel cell. Different strategies are proposed to control the hybrid boost power converter configuration for DC voltage applications. The methodology is extended to AC islanded applications considering the additional control of a voltage inverter. The validation on a dedicated test-bench, of a part of the proposed control strategies, is presented. In a second approach, the control of the air supply system is addressed. The management of the air dynamic entering the fuel cell is assured by the control of the air flow of a compressor. The air supply sub-system is controlled to keep a desired oxygen excess ratio, this allow to improve the fuel cell performance. An introduction to the control of Linear Varying Parameter (LPV) systems is also presented. Robustness analysis studies are performed, these robust properties are contrasted with several classic control strategies, demonstrating the advantage and the importance of multivariable robust methodologies.

Les techniques d’optimisation non-lisse permettent de résoudre des problèmes difficiles de l’ingénieur automaticien qui étaient inaccessibles avec les techniques classiques. Il s’agit en particulier de problèmes de commande ou de filtrage impliquant de multiples modèles ou faisant intervenir des contraintes de structure pour la réduction des couts et de la complexité. Il en résulte que ces techniques sont plus à même de fournir des solutions réalistes dans des problématiques pratiques difficiles. Les industriels européens de l’aéronautique et de l’espace ont récemment porté un intérêt tout particulier à ces nouvelles techniques. Ces dernières font parfois partie du "process" industriel (THALES, AIRBUS DS Satellite, DASSAULT A) ou sont utilisées dans les bureaux d’étude: (SAGEM, AIRBUS Transport). Des études sont également en cours comme celle concernant le pilotage atmosphérique des futurs lanceurs tels d’Ariane VI. L’objectif de cette thèse concerne l'exploration, la spécialisation et le développement des techniques et outils de l'optimisation non-lisse pour des problématiques d'ingénierie non résolues de façon satisfaisante - incertitudes de différente nature - optimisation de l'observabilité et de la contrôlabilité - conception simultanée système et commande Il s’agit aussi d’évaluer le potentiel de ces techniques par rapport à l’existant avec comme domaines applicatifs l’aéronautique, le spatial ou les systèmes de puissance de grande dimension qui fournissent un cadre d’étude particulièrement exigeant. / Non-smooth optimization techniques help solving difficult engineering problems that would be unsolvable otherwise. Among them, control problems with multiple models or with constraints regarding the structure of the controller. The thesis objectives consist in the exploitation, specialization and development of non smooth optmization techniques and tools for solving engineering problems that are not satisfactorily solved to the present.

<div>Efficient engine operation is a fundamental control problem in automotive applications. Robust control algorithms are necessary to achieve satisfactory, safe engine performance</div><div>at all operating conditions while reducing emissions. This thesis develops a framework for control architecture design to enable robust air handling system management.</div><div><br></div><div>The first work in the thesis derives a simple physics-based, control-oriented model for turbocharged lean burn engines which is able to capture the critical engine dynamics that are</div><div>needed to design the controller. The control-oriented model is amenable for control algorithm development and includes the impacts of modulation to any combination of four actuators: throttle valve, bypass valve, fuel rate, and wastegate valve. The controlled outputs: engine speed, differential pressure across throttle and air-to-fuel ratio are modeled as functions of selected states and inputs. Two validation strategies, open-loop and closed-loop are used to validate the accuracy of both nonlinear and linear versions of the control-oriented model. The relative gain array is applied to the linearized engine model to understand the degree of interactions between plant inputs and outputs as well as the best input-output pairing as a function of frequency. With strong evidence of high degree of coupling between inputs and outputs, a coordinated multiple-input multiple-output (MIMO) controller is hypothesized to perform better than a single-input single-output (SISO) controller. A framework to design robust model-based H1 MIMO controllers for any given linear plant, while considering state and output multiplicative uncertainties as well as actuator bandwidths is developed. The framework also computes the singular structure value, μ for the uncertain closed-loop system to quantify robustness, both in terms of stability and performance. The multi-tracking control problem targets engine speed, differential pressure across throttle as well as air-to-fuel ratio to achieve satisfactory engine performance while also preventing compressor surge and reducing engine emissions. A controller switching methodology using slow-fast controller decomposition and hysteresis at switching points is proposed to smoothly switch control authority between several MIMO controllers. The control design approach is applied to a truth-reference GT-Power engine model to evaluate the closed-loop controller performance. The engine response obtained using the robust MIMO controller is compared with that obtained using a state-of-the-art benchmark controller to evaluate the additional benefits of the MIMO controller.</div><div><br></div><div><div>In the second study, a robust 2-degree of freedom controller that commands eBooster speed to control air-to-fuel ratio, and a robust MIMO coordinated controller to control gas</div><div>exchange process in a diesel engine with electrified air handling architecture are developed. The MIMO controller simultaneously controls engine speed, mass fraction of the recirculated exhaust gas as well as air-to-fuel ratio. The actuators available for control in the engine include the exhaust gas recirculation valve, exhaust throttle valve, fuel injection rate, eBooster speed, eBooster bypass valve. To design the robust eBooster controller, the input-output relationship between eBooster speed and air-to-fuel ratio is estimated using system identification techniques. The robust MIMO controller is synthesized using a physics-based mean value control-oriented engine model that accurately represents the high-fidelity GT-Power model. In the first control strategy, the robust eBooster controller is added to an already existing stock engine control unit while in the second control strategy, the stock engine control unit is replaced with the multiple-input multiple-output controller. The two control architectures are tested under different operating conditions to evaluate the controller performance. Simulation results with the control architectures developed in the thesis are compared to a baseline engine configuration, where the engine operates without eBooster. Although it is observed that both these control algorithms significantly improve engine performance as compared to the baseline configuration, MIMO controller provides the best engine performance overall.</div></div>

The purpose of this disertation is to introduce and demonstrate a new approach to robust control of AC electrical drives. The proposed robust control method takes advantage of a nonlinear nature of AC motor d-q equations to construct self-scheduled LPV stator current controller. The benefit of this approach is in maitaining the robustness without any increase in conservatism of the H infinity controller. The resulting controller achieves fast and consistent response in the entire range of operating speeds. Rejection of the load torque disturbance is achieved with nonparametric H infinity speed controller in the outter loop of the cascade structure. The combination of LPV current controller and H infinity speed controller was verified on real-time simulation platform dSPACE ds1103. Simulation results for both types of AC motors (PMSM and IM) shows that the proposed solution is not only robust with respect to operating speeds but also impervious to wide range of load disturbance values.