Les études menées permettent de prendre en main un système depuis l’identification jusqu’à la commande robuste des systèmes non entiers. Les principes de la platitude permettent de parvenir à la planification de trajectoire à condition de connaître le modèle du système, d’où l’intérêt de l’identification des paramètres du système. Les principaux travaux de cette thèse concernent l’identification de système par modèles non entiers, la génération et la poursuite robuste de trajectoire par l’application des principes de la platitude aux systèmes non entiers.Le chapitre 1 rappelle les définitions et propriétés de l’opérateur non entier ainsi que les diverses méthodes de représentation d’un système non entier. Le théorème de stabilité est également remémoré. Les algèbres sur les polynômes non entiers et sur les matrices polynômiales non entières sont introduites pour l’extension de la platitude aux systèmes non entiers.Le chapitre 2 porte sur l’identification par modèle non entier. Après un état de l’art sur les méthodes d’identification par modèle non entier, deux contextes sont étudiés : en présence de bruit blanc et en présence de bruit coloré. Dans chaque cas, deux estimateurs optimaux (sur la variance et le biais) sont propos´es : l’un, en supposant une structure du modèle connue et d’ordres de dérivation fixés, et l’autre en combinant des techniques de programmation non linéaire qui optimise à la fois les coefficients et les ordres de dérivation.Le chapitre 3 établit l’extension des principes de la platitude aux systèmes non entiers.La platitude des systèmes non entiers linéaires en proposant différentes approches telles que les fonctions de transfert et la pseudo-représentation d’état par matrices polynômiales est étudiée.La robustesse du suivi de trajectoire est abordée par la commande CRONE. Des exemples de simulations illustrent les développements théoriques de la platitude au travers de la diffusion thermique sur un barreau métallique.Enfin, le chapitre 4 est consacré à la validation des contributions en identification, en planification de trajectoire et en poursuite robuste sur un système non entier réel : un barreau métallique est soumis à un flux de chaleur. / The general theme of the work enables to handle a system, from identification to robust control. Flatness principles tackle path planning unless knowing the system model, hence the system parameter identification necessity. The principal contribution of this thesis deal with system identification by non integer models and with robust path tracking by the use of flatness principles for fractional models.Chapter 1 recalls the definitions and properties of a fractional operator and also the various representation methods of a fractional system. The stability theorem is also brought to mind. Fractional polynomial and fractional polynomial matrice algebras are introduced for the extension of flatness principles for fractional systems.Chapter 2 is about non integer model identification. After a state of the art on system identification by non integer model. Two contexts are considered : in presence of white noise and of colored noise. In each situation, two optimal (in variance and bias sense) estimators are put forward : one, when considering a known model structure with fixed differentiating orders, and another one by combining nonlinear programming technics for the optimization of coefficients and differentiating orders.Chapter 3 establishes the extension of flatness principles to fractional systems. Flatness of linear fractional systems are studied while considering different approaches such as transfer functions or pseudo-state-space representations with polynomial matrices. Path tracking robustness is ensured with CRONE control. Simulation examples display theoretical developments on flatness through thermal diffusion on a metallic rod. Finally, Chapter 4 is devoted to validate the contributions to system identification, to trajectory planning and to robust path tracking on a real fractional system : a metallic rod submitted to a heat flux.

Teleoperation systems have been used in the operating rooms for more than a decade. However, the lack of force feedback in commercially available systems still raises safety issues and forbids surgical gestures like palpation. Although force feedback has already been implemented in experimental setups, a systematic methodology is still lacking to design the control laws.<p><p>The approach developed in this thesis is a contribution towards such a systematic<p>methodology: it combines the use of disturbance observers with the use of a structured fixed-order controller. This approach is validated by experiments performed on a one degree of freedom teleoperation system. A physical model of this system is proposed and validated experimentally.<p><p>Disturbance observers allow to compensate friction, which is responsible for performance degradation in teleoperation. Contrary to alternative approaches,they are based on a model of the frictionless mechanical system. This allows to compensate friction with a time varying behavior, which occurs in laparoscopy.<p><p>Parametric uncertainties in this model may lead to an unstable closed-loop. A kind of "separation principle" is provided to decouple the design of the closed-loop system from the design of the observer. It relies on a modified problem statement and on the use of available robust design and analysis tools.<p><p>A new metric is proposed to evaluate the performance of friction compensation systems experimentally. This metric evaluates the ability of a compensation system to linearize a motion system, irrespective of the task and as a function of frequency. The observer-based friction compensation is evaluated with respect to this new metric and to a task-based metric. It correctly attenuates the friction in the bandwidth of interest and significantly improves position and force tracking during a palpation task.<p><p>Structured fixed-order controllers are optimized numerically to achieve robust closed-loop performance despite modeling uncertainty. The structure is chosen among classical teleoperation structures. An efficient algorithm is selected and implemented to design such a controller, which is evaluated for a palpation task. It is compared to a full-order unstructured controller, representative of the design approach that has been used in the teleoperation literature up to now. The comparison highlights the advantages of our new approach: order-reduction steps and counter-intuitive behaviors are avoided. <p><p>A structured fixed-order controller combined with a disturbance observer is implemented during a needle insertion experiment and allowed to obtain excellent performance. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse présente un travail complet sur la modélisation, l'identification et la commande des robots parallèles à câbles dans le but d'améliorer les performances dynamiques en termes de rapidité, de précision et de robustesse obtenues, tout en gérant les problèmes liés à l'utilisation de câbles. Dans le cadre de ces recherches, les techniques d'identification et de commande sont améliorées grâce à l'utilisation de mesures extéroceptives, notamment en utilisant la vision. Des méthodes issues des domaines de la robotique et de l'automatique sont mises en oeuvre et comparées. Les validations expérimentales sont effectuées sur un démonstrateur disponible au laboratoire : un robot INCA 6D conçu par la société Haption, équipé d'un système de capture de mouvement Bonita développé par la société Vicon. / This thesis presents a complete work on modelling, identification and control of cable-driven parallel robots in order to improve the dynamic performances in terms of speed, precision and robustness, while managing the problems related to the use of cables. In the context of these researches, the identification and control techniques are improved thanks to the use of exteroceptive sensors, in particular using vision. Methods from the fields of robotics and control are implemented and compared. The experimental validations are performed on a demonstrator available in the laboratory : an INCA 6D robot designed by Haption company, equipped with a Bonita motion capture system developed by Vicon company.

Ce mémoire décrit la conception, la modélisation et la commande d’un manipulateur pneumatique,fondé sur un principe de traction aérodynamique original. De puissants jets d’air verticauxpermettent de créer un flux d’air horizontal pour manipuler des objets sans contact. Les objetssont maintenus en constante lévitation sur la surface grâce à un coussin d’air, et peuvent positionnés selon trois degrés de libert´ du plan, grâce à la combinaison adéquate et distribuéede jets d’air verticaux. Nous détaillons la conception d’un prototype original de manipulateurexploitant ce principe fluidique. Ce prototype a été intégré dans une plate-forme expérimentaleafin de valider le principe de manipulation : le système permet de déplacer des objets à unevitesse atteignant 180 mm/s. Nous avons modélisé le fonctionnement de la surface selon plusieursméthodes. Un premier modèle comportemental, fond´e sur des données expérimentales, aété établi. Il permet de simuler l’´evolution de la position d’un objet sur la surface, selon un degréde liberté . Deux modèles de connaissance, fond´es sur une étude aérodynamique fondamentale,donnent l’´evolution de la position de l’objet selon respectivement deux et trois degrés de libertédu plan. Chacun des modèles a été validé expérimentalement. Nous avons synthétisé différentscontrˆoleurs afin d’asservir la position de l’objet : un premier, de type PID, et un second, de typerobuste (méthode H1). La commande de un, puis deux degrés de liberté du système, a permisd’atteindre de bonnes performances : temps de réponse d’environ 2 s et dépassement souventinférieur à 5%. Nous avons également étudié un micro-manipulateur pneumatique permettant ded´eplacer des objets de taille millimétrique selon deux directions, grâce à des jets d’air inclinés.Ces objets peuvent atteindre des vitesses de 123 mm/s. La résolution du positionnement estinférieure à 0.4 μm. / This thesis presents the design, the modeling and the control of a pneumatic manipulatorbased on an original aerodynamic traction principle. An horizontal air flow is induced by strongvertical air jets in order to manipulate objects without contact. The objects are maintained inconstant levitation on an air cushion. Three degrees of freedom positioning of the objects canbe realized thanks to the right combination of distributed air jets. The design of an originalmanipulator using this aerodynamic principle is detailed. The device has been integrated in anexperimental setup in order to validate the manipulation principle : objects can reach velocityof 180 mm/s. Several models of the system have been established. A first model, based on experimentaldata, gives the evolution of the 1 DOF-position of an object on the device. Twoother models, based on a fundamental aerodynamic study, respectively give the evolution of the2- and 3-DOF position of the objet. The three models have been validated experimentally. Inorder to control the position of the object, different controllers have been designed : a PID oneand a robust H1 one. The control of one and two degrees of freedom of the device gives goodperformances : settling time of around 2 s and overshoot less than 5% in most of the cases. Wehave also studied a micro-manipulator that is able to position millimetric sized objects, in twodirections, thanks to inclined air jets. Objects can reach velocity of 123 mm/s, and the resolutionof the positioning is less than 0.4 μm.

L’objectif de cette thèse est d’appliquer des méthodes de contrôle optimal en réso- nance magnétique nucléaire et en information quantique. Dans un premier temps, on introduit les domaines étudiés et la dynamique des modèles traités. On donne les outils nécessaires pour appliquer le principe du maximum de Pontryagin ainsi qu’un algorithme d’optimisation appelé GRAPE.Le premier travail consiste à appliquer le PMP pour contrôler une chaîne de trois spins inégalement couplés. On étudie ensuite un problème de physique classique appelé "l’effet de la raquette de tennis", qui est un phénomène non-linéaire du modèle de la toupie d’Euler. On se sert de cette étude pour déterminer des lois de commande d’un système quantique à deux niveaux dans le chapitre suivant. Le dernier chapitre présente une méthode numérique qui permet d’améliorer la robustesse d’une porte NOT et de tester la pertinence de différentes approches analytiques déjà développées dans la littérature. / The goal of this thesis is to apply the optimal control theory to Nuclear Magnetic Resonance and Quantum Information. In a first step, we introduce the different topics and the dynamics of the analyzed systems. We give the necessary tools to use the Pontryagin Maximum Principle, and also an optimization algorithm, namely GRAPE.The first work is an application of the PMP to the control of a three-spin chain with unequal couplings. We continue with the study of a classical problem called "the tennis racket effect", which is a non-linear phenomenon occuring during the free rotation of a three-dimensional rigid body. We use the results in the following chapter to determine some control laws for a two- level quantum system. The last chapter presents a numerical method which aims at improving the robustness of a quantum NOT gate and at investigating the efficiency of different analytical approaches proposed in the literature.

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: Neste trabalho apresentam-se condições descritas por desigualdades matriciais lineares, LMIs (do inglês: Linear Matrix Inequalities), para o projeto de controladores robustos para sistemas dinâmicos de ordem α ∈ [0,1). Os controladores propostos utilizam a realimentação da derivada de ordem α ∈ [0,1) do vetor de estado, a chamada realimentação α-derivativa, e também a realimentação do vetor de estado. A literatura clássica apresenta resultados que utilizam o método direto de Lyapunov e a estabilização quadrática no projeto de controladores para sistemas de ordem inteira. Os teoremas propostos neste trabalho para sistemas fracionários são condições suficientes análogas a estes resultados. Esta analogia é possível através da extensão fracionária, recentemente disponível na literatura, do método direto de Lyapunov e de um limitante superior para a derivada de ordem α ∈ [0,1) da função de Lyapunov do tipo quadrática, Dα V(x(t)). Nesse sentido, as LMIs propostas para estabilização quadrática são análogas aos casos clássicos, pois não dependem da ordem α ∈ [0,1) do sistema. Em particular, o foco deste trabalho recai no controle do tipo chaveado, que trata da minimização do limitante superior de Dα V(x(t)). O controle chaveado dispensa o conhecimento das funções de pertinência quando da utilização de modelos fuzzy Takagi-Sugeno, permitindo trabalhar com plantas lineares e não lineares, ambas incluindo parâmetros incertos. Dessa forma, a estabilização quadrática possibilitou a obtenç... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work proposes linear matrix inequalities (LMIs) conditions for the design of robust controllers for dynamic systems of order α ∈ [0,1). The proposed controllers use the feedback of the state vector derivative of of order α ∈ [0,1), the so-called α -derivative feedback, and also the feedback of the state vector. The classical literature presents results that use the Lyapunov direct method and the quadratic stabilization in the design of the controllers for integer order systems. The theorems proposed in this work for fractional systems are sufficient conditions analogous to these results. This analogy is possible through the fractional extension, recently available in the literature, of the direct Lyapunov method and an upper bound for the a α ∈ [0,1) order derivative of the quadratic Lyapunov function, Dα V(x(t)). In this sense, the proposed LMIs for quadratic stabilization are analogous to the classical ones, since they do not depend on the order α ∈ [0,1) of the system. In particular, the focus of this work lies in the switched control, which deals with the minimization of the upper bound of Dα V(x(t)). The switched control dispenses the knowledge of the membership functions when using the Takagi-Sugeno fuzzy models, allowing to work with linear and nonlinear plants, both of them with uncertain parameters. Therefore, the quadratic stabilization allowed to obtain new results for the robust control problem of α ∈ [0,1) order systems, considering the main analogous resu... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Le but principal de la thèse est d'étudier les liens entre les singularités du spectre d'un Hamiltonien quantique contrôlé et les questions de contrôlabilité de l'équation Schr"odinger associée.La principale question qui se pose est de savoir comment contrôler une famille de systèmes quantiques dépendant des paramètres avec une entrée de commande commune. Ce problème de contrôlabilité d'ensemble est lié à la conception d'une stratégie de contrôle robuste lorsqu'un paramètre (une fréquence de résonance ou une inhomogénéité de champ de contrôle par exemple) est inconnu, et constitue un enjeu important pour les expérimentateurs.Grâce à l'étude des familles à un paramètre de Hamiltoniens et de leurs singularités génériques, nous donnons une stratégie de contrôle explicite pour le problème de contrôlabilité d'ensemble lorsque les conditions géométriques sur le spectre des Hamiltoniens sont satisfaites. Le résultat est basé sur la théorie de l'approximation adiabatique et sur la présence de courbes d'intersections coniques de valeurs propres du Hamiltonien contrôlé. La technique proposée fonctionne pour des systèmes évoluant à la fois dans des espaces de Hilbert de dimension finie et de dimension infinie. Nous étudions ensuite le problème de la contrôlabilité d'ensemble sous des hypothèses moins restrictives sur le spectre, à savoir la présence de singularités non-coniques. Sous des conditions génériques, de telles singularités n'apparaissent pas pour des systèmes uniques, mais apparaissent pour des familles de systèmes à un paramètre.Pour l'étude d'un système unique, nous nous concentrons sur une classe de courbes dans l'espace des contrôles, appelées les courbes non-mixantes (définies dans cite{Bos}), qui peuvent optimiser la dynamique adiabatique près des intersections coniques et non coniques. Elles sont liées à la géométrie des espaces propres du Hamiltonien contrôlé et l'approximation adiabatique possède une meilleure précision le long de celles-ci.Nous proposons d'étudier la compatibilité de l'approximation adiabatique avec la Rotating Wave Approximation. De telles approximations sont généralement combinées par les physiciens. Mon travail montre que cela ne se justifie pour les systèmes quantiques à dimensions finies que dans certaines conditions sur les échelles de temps. Nous étudions également les questions de contrôle d'ensemble dans ce cas. / The main purpose of the thesis is to study the links between the singularities of the spectrum of a controlled quantum Hamiltonian and the controllability issues of the associated Schr"odinger equation.The principal issue that is developed is how to control a parameter-dependent family of quantum systems with a common control input. This problem of ensemble controllability is linked to the design of a robust control strategy when a parameter (a resonance frequency or a control field inhomogeneity for instance) is unknown, and is an important issue for experimentalists.Thanks to the study one-parametric families of Hamiltonians and their generic singularities, we give an explicit control strategy for the ensemble controllability problem when geometric conditions on the spectrum of the Hamiltonian are satisfied. The result is based on adiabatic approximation theory and on the presence of curves of conical eigenvalue intersections of the controlled Hamiltonian. The proposed technique works for systems evolving both in finite-dimensional and infinite-dimensional Hilbert spaces. Then we study the problem of ensemble controllability under less restrictive hypotheses on the spectrum, namely the presence of non-conical singularities. Under generic conditions such non-conical singularities are not present for single systems, but appear for one-parametric families of systems.For the study of a single system, we focus on a class of curves in the space of controls, called the non-mixing curves (defined in cite{Bos}), that can optimize the adiabatic dynamics near conical and non-conical intersections. They are linked to the geometry of the eigenspaces of the controlled Hamiltonian and the adiabatic approximation holds with higher precision along them.We propose to study the compatibility of the adiabatic approximation with the rotating wave approximation. Such approximations are usually done in cascade by physicists. My work shows that this is justified for finite dimensional quantum systems only under certain conditions on the time scales. We also study ensemble control issues in this case.

Master’s thesis deals with using a linear matrix inequality (LMI) in control of a dynamic systems. We can define a stability of a dynamic system with a LMI. We can use a LMI for research if the poles of a system are in a given regions in the left half-plane of the complex plane with a LMI or we can use a LMI for a state feedback control. In the work we describe a desing of a controller minimizing a norm from an input to an output of the system. There is also a desing of a LQ controller with a LMI. In the end of the work, there are two examples of a design a LQ controller, which minimize the norm from the input to the output of the system and moves a poles of a dynamic system in a given regions in the complex plane, with the LMI. We use a LMI for a design a continuos LQ controller in the first example. In the second example we use a LMI for a design a discrete LQ controller.

La capacité de réaliser des tâches robotiques dextres à l'échelle nanométrique dans un microscope électronique à balayage (MEB) est un enjeu crucial pour les nanotechnologies. Les systèmes nano-robotiques dédiés à des applications sous MEB ont ainsi émergé dans de nombreux laboratoires de robotique. Ils peuvent être composés d'un ou de plusieurs actionneurs intégrés à des plateformes nano-robotiques avec un ou plusieurs effecteurs. L’actionneur Piézoélectrique Stick-Slip (PSS) est l'un des meilleurs candidats pour actionner les systèmes nano-robotiques dédiés à des applications sous MEB car il est capable d'effectuer un positionnement grossier avec une plage de déplacement millimétrique et un positionnement précis avec une plage de déplacement de quelques micromètres. La modélisation des actionneurs PSS est complexe notamment en raison de leur mode de fonctionnement hybride. La commande est également difficile à cause de plusieurs caractéristiques liées aux actionneurs PSS, soient le frottement, l’hystérésis et les vibrations non-amorties, qui dégradent leur performances en termes de précision et de vitesse. Ce travail porte sur la modélisation et la commande d'un système nano-robotique à 3 axes dédié à des applications sous MEB et actionné par des actionneurs piézoélectriques de type stick-slip. Chaque élément et caractéristique des actionneurs PSS ont été analysés et modélisés afin d’établir par la suite un modèle dynamique complet capable de décrire les deux modes de fonctionnement, à savoir le mode balayage et pas à pas. Pour chacun de ces deux modes, des lois de commande ont ainsi été développées pour les actionneurs PSS. Des stratégies de commande robuste ont été synthétisées pour des objectifs de positionnement rapide et à haute résolution en mode balayage. De telles performances sont fondamentales dans plusieurs tâches micro-/nano-robotique tels que le nano-assemblage rapide et précis et la nano-caractérisation des matériaux. Une commande proportionnelle en fréquence et en amplitude est synthétisée pour effectuer un déplacement millimétrique en mode pas à pas. Ceci est motivé par les applications robotiques pour lesquelles une large plage de déplacement est requise, tels que le scan de grandes surfaces et les phases d’approche d’une sonde d’un échantillon à manipuler. Une stratégie de commutation qui combine les modes balayage et pas à pas, est alors proposée pour remédier au manque de précision en mode pas à pas, lors de passage d’un grand à un petit déplacement. Ce travail a donné lieu à des résultats qui ouvrent de nouvelles perspectives pour l'utilisation des actionneurs PSS dans les systèmes nano-robotiques dédiés à des applications sous MEB. / The capability of doing dexterous robotic tasks at the nanometer scale inside a Scanning Electron Microscope (SEM) is a critical issue for nanotechnologies. SEM-integrated nano-robotic systems have consequently emerged in many robotics laboratories. They can be composed of one or more actuators assembled into nano-robotic platforms with one or several effectors. Piezoelectric Stick-Slip (PSS) actuators is one of the best candidate to actuate SEM-integrated nano-robotic systems because it is able to perform coarse positioning with millimeter displacement range and fine positioning with travel range of few micrometers. Modeling of PSS actuators is complex and difficult mainly because of their hybrid operating mode. Furthermore, control is challenging due to several characteristics related to PSS actuators, namely friction, hysteresis and undamped vibrations, which degrade their performance in terms of precision and speed. This work deals with modeling and control of a 3-axes SEM integrated nano-robotic system driven by piezoelectric stick-slip actuators. Each element and characteristic of PSS actuators are analyzed and modeled to thereafter establish a complete dynamic model able to describe the two functioning modes, namely the scanning and the stepping modes. PSS actuators are then controlled in each of these modes. Robust control strategies are developed to achieve high-resolution and fast positioning in scanning mode. Such performance is fundamental in several micro/nano-robotic tasks such as fast and accurate nano-assembly and nano-material characterization. A frequency/amplitude proportional controller is designed to perform millimeter displacement in stepping mode. This is motivated by robotic tasks where large motion is required, such as large surfaces scan and bringing a probe close to a sample to manipulate. A switched strategy, which combines scanning and stepping motion modes, is then proposed to remedy to the lack of precision in stepping motion, when passing from a large to a small displacement. This work has given rise to results which open new perspectives to the use of PSS actuators in SEM integrated nano-robotic systems.

Les systèmes descripteurs incertains sont convenables pour la représentation des incertitudes d’un modèle, du comportement impulsif et des contraintes algébriques entre les variables d’état. Ils peuvent décrire bien plus de phénomènes qu’un système dynamique standard, mais, en conséquence, l’analyse des systèmes descripteurs incertains est aussi plus complexe. Des recherches sont menées de façon à réduire le degré de conservatisme dans l’analyse des systèmes descripteurs incertains. L’utilisation des fonctions de Lyapunov qui sont en mesure de générer des conditions nécessaires et suffisantes pour une telle évaluation y figurent. Les fonctions de Lyapunov polynomiales homogènes font partie de ces classes, mais elles n’ont jamais été employées pour les systèmes descripteurs incertains. Dans cette thèse, nous comblons ce vide dans la littérature en étendant l’usage des fonctions de Lyapunov polynomiales homogènes du cas incertain standard vers les systèmes descripteurs incertains. / Uncertain descriptor systems are a convenient framework for simultaneously representing uncertainties in a model, as well as impulsive behavior and algebraic constraints. This is far beyond what can be depicted by standard dynamic systems, but it also means that the analysis of uncertain descriptor systems is more complex than the standard case. Research has been conducted to reduce the degree of conservatism in the analysis of uncertain descriptor systems. This can be achieved by using classes of Lyapunov functions that are known to be able to provide necessary and sufficient conditions for this evaluation. Homogeneous polynomial Lyapunov functions constitute one of such classes, but they have never been employed in the context of uncertain descriptor systems. In this thesis, we fill in this scientific gap, extending the use of homogeneous polynomial Lyapunov functions from the standard uncertain case for the uncertain descriptor one.