Je tiens, dans ma démarche scientifique, à développer mes connaissances d'un point de vue Système et d'un point de vue Commande. En effet, je suis convaincu que si les automaticiens travaillent conjointement avec les équipes de conception (mécanique, électronique, informatique) et participent à la mise en place de l'architecture du système alors cela permet et permettra d'intégrer le choix des stratégies de commandes en amont du développement du système. Démarche qui peut être très efficace pour répondre à des spécifications de plus en plus exigeantes en terme de performances statiques, dynamiques, énergétiques, écologiques ... Dans les articles scientifiques, l'aspect théorie et/ou mise en oeuvre de la commande est très souvent mis en avant par rapport à l'aspect que je qualifie de système. Preuve en ai donnée dans mes différentes contributions scientifiques dont une liste est présente à la fin de ce document dans la partie bibliographie personnelle (qui en fait n'a rien de personnelle, mais représente les fruits de différents travaux collaboratifs). Certains articles sont en version intégrale en annexe. Dans ce mémoire qui présente mes contributions passées, présentes et peut-être futures sur la commande des systèmes mécatroniques à fluide sous pression, l'occasion m'est donnée de mettre en avant le système par rapport à différentes techniques de commandes avancées. Ce travail présente la synthèse de mes activités de Maître de conférences à l'INSA de Lyon au sein du Laboratoire d'Automatique Industrielle de 2001 à 2006 (L.A.I . Equipe d'Accueil 3079) et depuis 2007 au sein du laboratoire Ampère (Unité Mixte de Recherche 5005 du CNRS) issu de la fusion du L.A.I. avec le CEGELY (CEntre de Génie Electrique de LYon) et une équipe de Génomique microbienne environnementale. Ces travaux encadrés ou co-encadrés m'ont permis de contribuer au développement des activités de recherche du laboratoire d'Automatique Industrielle hier et du laboratoire Ampère aujourd'hui, à travers l'axe scientifique commande des systèmes Fluid Power. Le mémoire est organisé en 4 chapitres. Après un bref résumé présentant mon curriculum vitae et quelques faits marquants de mes activités, le chapitre 2 dresse un bilan de mes activités de recherche, d'enseignement et responsabilités collectives. Ce bilan se veut être prioritairement quantitatif. L'aspect qualitatif étant surtout abordé au niveau de la recherche lors du chapitre 3. Ce chapitre présente de manière approfondie et technique le fil conducteur de ma recherche résumé par le titre de ce document. Enfin, le chapitre 4 donne des conclusions mais surtout des orientations à mes perspectives de recherche au travers différents projets que je souhaite développer. Les annexes, en fin de ce document, regroupent les textes des productions scientifiques que je juge aujourd'hui significatives.

L'objectif de ce travail de thèse est d'évaluer la pertinence et les performances des techniques avancées de commande et d'observation des systèmes non linéaires et de voir si elles rendent possible l'utilisation d'un système électropneumatique haute performance pour le positionnement de gouvernes d'engin aérodynamique. Pour cela un banc d'essai et un benchmark associé ont été réalisés, en collaboration par les laboratoires AMPERE / IRCCyN, par le Laboratoire de Recherche en Balistique et Aérodynamique de la DGA et par MBDA (Groupe EADS). <br />L'étude montre que l'utilisation de commandes non linéaires permet d'obtenir les performances souhaitées. Des commandes non linéaires par modes glissants d'ordre supérieur mono et multi variables sont appliquées sur le système électropneumatique lui assurant une convergence en temps fini et la robustesse face aux incertitudes paramétriques et aux perturbations, ce qui constitue une des principales contributions de ce travail. Par ailleurs, dans le but de minimiser le nombre de capteurs et/ou pallier à leur défaillance, la synthèse d'observateurs pour cette plateforme expérimentale a été étudiée. Ainsi, une étude de l'observabilité, une synthèse d'observateurs à grands gains et par modes glissants a été effectuée.<br />La conclusion de ce travail permet de déterminer qu'il est possible d'utiliser des actionneurs électropneumatiques pour le positionnement d'une gouverne de missile, sous réserve de concevoir des composants intégrables. Cette thèse permet de déterminer les caractéristiques que devront avoir ces composants pour permettre d'obtenir l'ensemble des performances souhaitées.

Ce travail de thèse propose des solutions pour la commande de systèmes non linéaires incertains en se basant sur la théorie des modes glissants. Ce mémoire présente la théorie des modes glissants et des modes glissants d'ordre supérieur, en distinguant des notions souvent confondues, comme les commandes équivalente et nominale, ou les modes glissants d'ordre supérieur idéal et réel. Une preuve originale de la convergence de l'algorithme du super twisting est également présentée. Une commande par modes glissants à amplitude adaptative a été proposée dans le but de pour réduire le chattering. Elle a été testée sur le banc d'essais d'actionneur électropneumatique de l'IRCCyN, dont les modèles de simulation et de synthèse sont exposés. L'autre théorie présentée dans ce mémoire est celle de la commande à temps minimal pour des systèmes parfaitement connu. Des algorithmes de calcul de la surface de commutation à temps minimal sont présentés. Un lien est fait avec la théorie de la commande par modes glissants d'ordre supérieur. Le résultat est une commande ayant la robustesse et la précision asymptotique des modes glissants d'ordre supérieur et la vitesse de convergence héritée de la commande à temps minimal. Une solution au problème du chattering, spécialement délicat pour cette commande, est également proposée.

La validation des acquis de l'expérience est ici développée autour d'une thématique concernant l'électropneumatique asservie. Une première partie énumère les participations et les contributions à des travaux de recherches afin d'utiliser ceux-ci à la réalisation de produits industriels innovants et utilisant des connaissances multidisciplinaires. Puis l'on montre que l'expérience concrète tirée des activités précédentes, suivie d'analyses critiques et de réflexion, a conduit à la création et à la participation active de travaux de normalisation au niveau international. Enfin une synthèse et une formalisation de ces activités de recherches et d'applications industrielles innovantes ont permis le développement d'activités de formation. Une seconde partie développe l'approche théorique et technique permettant de mieux comprendre et juger le saut technologique nécessaire à la création et à l'adaptation de produits industriels innovants axes asservis et modulateurs de puissance électropneumatiques à partir de demandes marché plus ou moins formalisées. Tout au long de ce document, les interactions entre les aspects industriels et recherches universitaires sont exposées. Cette interaction conduisant à un enrichissement mutuel par l'acquis de l'expérience vécue / The validation of experience is here developed around a theme concerning the electropneumatic servocontrolled. A first part lists the interests and contributions to research work in order to use them in the realization of innovative industrial products and using multidisciplinary knowledge. Then we show that the practical experience of previous activities, followed by critical analysis and reflection, led to the creation and active participation in standardization activities at international level. Finally a synthesis and formalization of these research activities and innovative industrial applications led to the development of training activities. A second part develops the theoretical and technical approach to better understand and assess the technological leap required for the creation and adaptation of innovative industrial products servo axes and modulators of electro power from market demands more or less formalized. Throughout this document the interactions between industrial and academic research aspects are discussed. This interaction leads to mutual enrichment acquired through experience

Les actionneurs électropneumatiques sont très utilisés dans l'industrie automobile car ils offrent de grands avantages, en termes d'encombrement, de puissance élevée et de simplicité de commande. Ces actionneurs sont utilisés plus particulièrement pour le contrôle des Turbocompresseurs à Géométrie Variable (TGV). Le TGV joue un rôle très important dans les performances de la boucle d'air du moteur, en particulier sur la qualité de l'air à l'admission et à l'échappement. Les nouvelles réglementations gouvernementales concernant les émissions polluantes des véhicules ont poussé les équipementiers automobiles à s'intéresser davantage au contrôle du Turbocompresseur à Géométrie Variable. Ces exigences ne peuvent pas être realisées à travers des techniques classiques de contrôle de type PID. En effet, le contrôle doit tenir compte de la complexité du modèle et de ses incertitudes ainsi que des exigences en termes de performances statiques et dynamiques et du nombre limité de mesures. De plus, il faut également tenir compte des conditions agressives dans lesquelles travaillent l'actionneur, notamment la température, les forces de frottement et les forces aérodynamiques à l'entrée du turbo. Dans le cadre de cette thèse, ce sont tous ces aspects qui ont motivé notre travail de modélisation et de commande robuste de l'actionneur électropneumatique du turbo. Dans un premier temps, nous avons établi un modèle de simulation de l'actionneur. Nous avons commencé par élaborer un modèle physique détaillé de l'actionneur, en prenant en compte les caractéristiques non linéaires provenant de la compressibilité de l'air et du frottement. Ensuite, deux modèles des forces aérodynamiques qui agissement sur l'actionneur ont été proposés. Le modèle global de l'actionneur a été validé expérimentalement et une analyse de sensibilité expérimentale a été menée sur plusieurs actionneurs afin d'identifier les paramètres ayant le plus d'impact sur les performances de l'actionneur. Dans un second temps, nous avons proposé une simplification du modèle obtenu dans le but de le rendre utilisable pour le contrôle, tout en préservant ses caractéristiques statiques et dynamiques. Enfin, nous nous sommes intéressés à la résolution du problème de commande robuste par retour de sortie de l'actionneur. Les algorithmes de contrôle et d'estimation élaborés ont été validés d'abord par des simulations, puis expérimentalement sur un banc d'essai moteur. / The choice of technology for automotive actuators is driven by the need of high power to size ratio. In general, electro-pneumatic actuators are preferred for application around the engine as they are compact, powerful and require simple controlling devices. Specially, Variable Geometry Turbochargers (VGTs) are almost always controlled with electro-pneumatic actuators. This is a challenging application because the VGT is an important part of the engine air path and the latter is responsible for intake and exhaust air quality and exhaust emissions control. With government regulations on vehicle pollutant emissions getting stringent by the year, VGT control requirements have also increased. These regulations and requirements can only be fulfilled with precise dynamic control of the VGT through its actuator. The demands on actuator control include robustness against uncertainty in operating conditions, fast and smooth positioning without vibration, limited number of measurements. Added constraints such as nonlinear dynamic behavior of the actuator, friction and varying aerodynamic forces in the VGT render classical control methods ineffective. These are the main problems that form the core of this thesis.In this work, we have addressed the above mentioned problems, using model based control complemented with robust control methods to overcome operational uncertainties and parametric variations. In the first step, a detailed physical model of an electro-pneumatic actuator has been developed; taking into account the nonlinear characteristics originating from air compressibility and friction. Means to compensate for aerodynamic force have been studied and implemented in the next step. These include model parametric adaptation and one dimensional CFD (Computational Fluid Dynamics) modeling. The complete model has been experimentally validated and a sensitivity analysis has been conducted to identify the parameters which have the greatest impact upon the actuator's behavior. The detailed simulation model has then been simplified to make it suitable for control purposes while keeping its essential behavioral characteristics (i.e. transients and dynamics). Next, robust controllers have been developed around the model for the control objective of accurate actuator positioning in presence of operational uncertainty. An important constraint in commercial actuators is that they provide output feedback only, as they are only equipped with low-cost position sensors. This hurdle has been overcome by introducing observers in the control loop, which estimate other system states from the output feedback. The estimation and control algorithms have been validated in simulation and experimentally on diesel engine test benches.