Dans cette thèse, nous considérons des problèmes de stabilité et de commande robuste pour une classe de systèmes linéaires à sauts aléatoires. Dans la première partie, nous nous intéressons d'une part à l'analyse de la de systèmes linéaires à sauts Markoviens non-Homogènes en temps, et ceci en temps discret. En particulier, nous considérons le cas où la matrice de probabilité de transition de la chaîne de Markov non-Homogène varie dans un intervalle. En nous appuyons sur des outils issus de l'analyse par intervalles ainsi que de la théorie des graphes, nous obtenons une condition suffisante de stabilité en moyenne quadratique de cette classe de systèmes. D'autre part, nous considérons le problème de stabilité stochastique de systèmes linéaires à temps continu et à sauts aléatoires dépendant de l'état du système. En utilisant une version stochastique de la deuxième méthode de Lyapunov et la formule de Dynkin adaptée à cette classe de systèmes, nous établissons des conditions suffisantes de stabilité en termes d'inégalités matricielles linéaires. Dans la seconde partie de cette thèse, nous étudions le problème de commande prédictive des systèmes à sauts aléatoires sujets à des contraintes de type probabilistes. Nous étudions dans un premier temps un problème de commande à horizon glissant d'un système linéaire discret à sauts dépendant de l'état, soumis à des perturbations aléatoires éventuellement non bornées et à des contraintes de type probabilistes sur l'état du système. Dans un deuxième temps, nous relaxons l'hypothèse d'accessibilité de l'état du système et considérons le problème de commande à horizon glissant basée sur une estimation de l'état du système / We address stability and control problems of random jump linear systems (JLSs) that consists of a set of linear systems and the switching among them is governed by a random jump process. In the first part, we consider second moment stability and stabilization of random JLSs. We first consider discrete-Time inhomogeneous Markov JLSs with interval transition probability matrix and obtain a sufficient condition in terms of a spectral radius of a matrix by using results of interval analysis and graph theory. Alternatively, we obtain a convex hull representation of the interval transition probability matrix and give a sufficient condition in terms of linear matrix inequalities, using which we deal with stabilization. Next, we consider a continuous-Time state-Dependent JLS, where the transition rates of the random jump process depend on the state variable and address the problem of stochastic stability and stabilization. Then, we consider the presence of external disturbances and extend our results to H infinity stabilization problem. In the second part, we consider control of random JLSs subject to constraints. We use receding horizon control approach to handle constraints. We first investigate a receding horizon control of discrete-Time state-Dependent JLSs subject to stochastic disturbances and probabilistic constraints. For the same system, we try to extend our approach to the case of imperfect state availability. However, the unavailability of the state makes the formulation of state-Dependent jump process complex. Thus we confine ourselves to discrete-Time homogeneous Markov JLSs with process noise and noisy measurements and address the receding horizon control problem

Les réseaux sont présents dans plusieurs domaines scientifiques et d’ingénierie tels que la biologie, la physique, la sociologie ainsi que la robotique ou la théorie de la communication. L’étude de ces réseaux montre qu’ils sont souvent structurés en sous-groupes. Entre eux il n’y a pas ou il y a très peu d’interaction. Par conséquent, un accord local au sein de chaque groupe est naturellement atteint alors que le consensus associé à un tel réseau doit être imposé par une loi de commande spécifique. Nous proposons donc un contrôleur discret quasi-périodique pour échanger des informations entre les groupes. Un agent de chaque groupe est choisi le « leader » et, à certains moments, ces leaders communiquent entre eux à travers un nouveau réseau. Ceci permet d’obtenir le consensus dans tout le réseau mais engendre des réinitialisation/sauts dans l’état de leaders. La première contribution de la thèse est la caractérisation de la valeur de consensus dans le cadre des systèmes linéaires impulsifs. Il est remarquable que la valeur de consensus dépende seulement des conditions initiales et des topologies des réseaux impliqués. Elle n’est donc pas sensible aux instants de réinitialisation des états de leaders. Afin d’étudier la stabilité de la valeur de consensus obtenue, nous proposons une méthode fondée sur la vérification d’une condition LMI. Cela peut être adaptée pour la conception du réseau d’interaction entre les leaders permettant d’atteindre une valeur de consensus a priori choisie. Il est aussi possible d’utiliser la condition LMI afin de garantir une vitesse de convergence désirée vers le consensus. Pour ces derniers objectifs, la topologie du réseau continue à être considérée comme fixe et connue pour chaque groupe. L’ensemble des valeurs de consensus qui peuvent être atteintes est contenu dans l’intervalle défini par le minimum et le maximum des accords locaux initiaux. Ensuite nous présentons l’étude d’un problème pratique. Des robots mobiles non-holonome, séparés dans des groupes, doivent atteindre une formation donnée. L’algorithme de consensus à pour mission de définir les trajectoires de référence pour ces robots en prenant en compte juste les informations locale. Le robot poursuit la trajectoire de référence en utilisant une commande classique pour cela. / Networks appear in several areas of science and engineering such as biology, physics, sociology as well as robotics and communication theory. Studying these networks it is possible to see cluster-like structures, which are disconnected or very weakly connected one to another. The presence of these clusters hampers consensus throughout the overall network. Instead, local agreement is reached within each cluster. To enforce consensus we have to design an appropriate decentralized controller that imposes interactions between clusters. While the interactions inside each cluster are continuous, we propose a quasi-periodic discrete controller to exchange information between clusters. A single agent from each cluster is chosen to be the leader, and at certain moments, the leaders communicate with each other through a new network. This allows consensus in the entire network but generates resets/jumps on the leaders’ state. The first contribution of this manuscript is related to the characterization of the consensus value in the linear impulsive dynamics framework. It is noteworthy that the consensus value depends only on the initial conditions and the topologies of the involved networks. Therefore, the consensus value does not depend on the reset sequence used for the leaders’ states. To study the stability of the consensus value a LMI based condition is proposed. The main advantage of this approach is its flexibility. Indeed with some modifications to the LMI condition it is possible to analyse the convergence speed of the network or to design the leaders’ network. The purpose of leaders’ network design is to reach an a priori specified consensus value with a specified convergence speed. Whatever is the objective, throughout the manuscript we consider that the network topology is fixed and known for each cluster. The set of consensus values that can be reached is restricted to the interval defined by the minimum and maximum initial local agreements. A last contribution is related to the application of the proposed methodology to a practical situation. We consider a fleet of non-holonomic mobile robots separated in clusters. The communication inside each cluster are secured and cheap while between clusters it is expensive and not securely to communicate. Nevertheless the robots have to reach a given formation. In this case our consensus algorithm is in charge of providing reference trajectories to each robot by using only the available local information. The robot follows the reference by using a classical trajectory tracking control.

Dans ce mémoire, nous présentons différentes approches de synthèse de contrôleurs réseaux de Petri en se basant sur la théorie des régions. Cette théorie présente quelques limites dans la synthèse de contrôle. En effet, la synthèse du contrôleur RdP, s’il existe, n’est pas du tout une tâche facile vue sa complexité de calcul et l’explosion combinatoire des états dans le graphe de marquage. De plus, le système linéaire de la théorie des régions à résoudre peut contenir des combinaisons convexes entre ces équations ce qui rend la théorie insoluble pour calculer les superviseurs RdP. Ce travail vise à simplifier la complexité de calcul de la théorie des régions en réduisant le nombre d’équations du système linéaire de la théorie des régions d’une part, et d’autre part en minimisant le temps de calcul des contrôleurs RdP. De nouveaux concepts de coupes minimales et de marquages canoniques ont été introduits afin d’appliquer la théorie des régions sur des zones précises du graphe et non pas sur la totalité du graphe de marquage. Finalement, deux autres nouvelles approches ont été développées pour synthétiser des contrôleurs RdP sans générer le graphe de marquage / In this work, we present different control synthesis approaches based on Petri nets and the theory of regions. This theory has some limitations in supervisory control. Indeed, the design on the PN controller, if it exists, is not an easy task due to the resolution complexity and the combinatorial explosion of states in the generated reachability graph. In addition, the linear system of the theory of regions may contain convex combinations of its equations making the theory insoluble. This work aims to simplify the computational complexity of the theory of regions by reducing the number of equations of the linear system and decreasing the computation time of PN controllers. Consequently, new concepts of minimal cuts and canonic markings are introduced in order to apply the theory of regions on specific zones of the graph and not on the whole reachability graph. Finally, two new approaches are developed to synthesize PN controllers without generating the reachability graph

Cette thèse CIFRE issue d’une collaboration entre Acta-Mobilier, fabricant de façades laquées haut de gamme et le CRAN. Cette thèse, s’inscrivant dans la continuité de celle de Mélanie Noyel, a pour objectif la réalisation d’une architecture de pilotage hybride s’appuyant sur le contrôle par le produit. Nous avons choisi de nous inspirer d’un méta-modèle développé au sein de l’équipe du CRAN. Cette architecture repose sur un modèle VSM, ou chaque niveau est susceptible de prendre des décisions à son échelle. Le plus haut niveau supervise les décisions tactiques (par exemple, le plan directeur de production), le plus bas niveau d’intelligence est distribué entre les produits dotés de moyen de communication et d’analyse (leur intelligence est attribuée à la réactivité du système car se trouvant au plus proche du besoin). En niveaux intermédiaires, nous trouvons d’une part des optimisateurs centralisés pour superviser les sous-ateliers de la chaîne de production, de manière à atteindre les objectifs de consommation, de temps de réglages ou de productivité des sous-ateliers qu’ils supervisent. D’une autre part, des optimisateurs pour des postes de travail spécifique faisant intervenir directement les produits et les informations qu’ils possèdent dans la prise de décision. Un optimisateur de chacune des deux catégories en accord avec les besoins définis par l’étude du flux de production de l’entreprise ont été réalisés. Un optimisateur centralisé a été réalisé pour l’atelier usinage dans lequel les opérations relatives au débit et au façonnage des formes des produits sont effectuées. Il est construit pour réaliser des regroupements en lots de fabrication et à les ordonnancer pour obtenir un compromis entre minimisation des consommations matières, des temps de réglage des machines et la minimisation du WIP. Le séquencement doit garantir que les regroupements, lors de leur division permettent de reformer rapidement les commandes clients. Cette contrainte est nécessaire, avant passage à la phase d’application de la finition. Il met en œuvre un algorithme génétique solutionnant un problème d’ordonnancement multicritères. Pour valider notre choix d’une méta-heuristique comme méthode de résolution du problème, nous avons tenté de le résoudre par une méthode de mathématique analytique et les résultats obtenus ont confirmé que notre décision était raisonnable. Cette optimisation a été testée sur plateforme de test et a fourni des résultats encourageants. Une implémentation faite dans l’entreprise, est utilisé chaque semaine pour une planification spécifique. Un optimisateur de la seconde catégorie a été étudié pour gérer le cas du robot de laquage, celui-ci doit fournir deux postes clients ayant leurs propres familles de produits mais devant être expédiées aux mêmes dates. En outre, les points faibles de ce poste, à savoir la consommation importante de laque à chaque changement de couleur et la longue durée d’attente avant de pouvoir visualiser les produits et savoir si un défaut qualité est apparu, impliquant de devoir refaire un cycle complet de laquage. L’optimisateur utilise un modèle de prédiction de non qualité afin d’évaluer les risques relatifs au passage du prochain lot à produire et si celui-ci est jugé trop élevé, un processus est déclenché choisissant parmi les lots présents en file d’attente, le plus adapté en considérant plusieurs facteurs. Cet optimisateur de poste de travail recueille des informations de la machine, des produits et des files d’attentes des postes en aval afin d’empêcher l’apparition d’un problème. Il a été implémenté sur un modèle de simulation. La question de la synchronisation des différents optimisateurs a été amorcée. En effet, le plan de production généré par le système d’information donne une plage de passage acceptable pour les lots dans chaque atelier et les optimisateurs se doivent de la respecter. Ces travaux aideront l’entreprise à franchir sa transition vers l’ère de l’industrie 4.0. / This CIFRE thesis comes from a collaboration between Acta-Mobilier, manufacturer of high-end lacquered facades and CRAN. This thesis, which is a continuation of that of Mélanie Noyel, aims to achieve a hybrid control architecture based on control by the product. We chose to take inspiration from a meta-model developed within the CRAN team. This architecture is based on a VSM model, where each level is likely to make decisions on its own scale. The highest level oversees tactical decisions (for example, the production master plan), the lowest level of intelligence is distributed between the products endowed with means of communication and analysis (their intelligence is attributed to the responsiveness of the system because being closer to the need). In intermediate levels, we find on the one hand centralized optimizers to supervise the sub-workshops of the production chain, in order to reach the objectives of consumption, time of adjustments or productivity of the sub-workshops that they supervise. On the other hand, optimizers for specific workstations directly involving the products and information they possess in decision-making. An optimizer of each of the two categories in accordance with the needs defined by the study of the workflow of the company have been realized. A centralized optimizer has been realized for the machining workshop in which the operations relating to the flow and shaping of the shapes of the products are carried out. It is built to make groupings in manufacturing batches and to schedule them to achieve a compromise between minimizing material consumption, machine setting times and minimizing WIP. Sequencing must ensure that clusters, when they are split, enable rapid customer order reform. This constraint is necessary before going to the application phase of the finish. It implements a genetic algorithm solving a multicriteria scheduling problem. To validate our choice of a meta-heuristic as a method of solving the problem, we tried to solve it by an analytical mathematical method and the results obtained confirmed that our decision was reasonable. This optimization was tested on a test platform and provided encouraging results. An implementation made in the company, is used every week for a specific planning. An optimizer of the second category has been studied to manage the case of the lacquer robot, it must provide two client stations having their own families of products but to be shipped on the same dates. In addition, the weak points of this post, namely the significant consumption of lacquer with each change of color and the long waiting time before being able to visualize the products and to know if a defect quality appeared, involving having to redo a cycle complete lacquering. The optimizer uses a non-quality prediction model to evaluate the risks associated with the passage of the next batch to be produced and if it is deemed too high, a process is triggered choosing among the lots present in the queue, the most suitable by considering several factors. This workstation optimizer gathers machine information, products, and queues from downstream workstations to prevent a problem from occurring. It has been implemented on a simulation model. The issue of synchronization of different optimizers has been initiated. Indeed, the production plan generated by the information system gives an acceptable range of passage for the batches in each workshop and the optimizers must respect it. This work will help the company make the transition to the Industry 4.0 era.

Η εύρεση γεννητικών δέντρων ελάχιστου-κόστους αποτελεί ένα κλασικό επιστημονικό πρόβλημα με σημαντικές εφαρμογές στη σχεδίαση δικτύων. Δοθέντος ενός γραφήματος, όπου κάθε πλευρά σχετίζεται με ένα βάρος (κριτήριο) το πρόβλημα της εύρεσης ενός Ελάχιστου Γεννητικού Δέντρου ανέρχεται στο πρόβλημα της εύρεσης ενός γεννητικού δέντρου με το ελάχιστο συνολικό κόστος. Το πρόβλημα ΕΓΔ έχει αποτελέσει αντικείμενο ενδιαφέροντος πολλών μελετητών με αποτέλεσμα την ανάπτυξη αλγορίθμων πολυωνυμικού-χρόνου, όπως είναι ο αλγόριθμος του Prim, του Sollin και του Kruskal. Στον πραγματικό κόσμο όμως υπάρχουν περιπτώσεις όπου πρέπει να λάβουμε ταυτόχρονα υπόψη πολλά κριτήρια προκειμένου να καθορίσουμε ένα ΕΓΔ. Αυτό συμβαίνει γιατί κάθε πλευρά του γραφήματος σχετίζεται με παραπάνω από ένα κόστη. Για παράδειγμα, στη σχεδίαση ενός τηλεπικοινωνιακού δικτύου, πέρα από το κόστος κατασκευής των συνδέσεων μεταξύ των πόλεων ή των τερματικών μας ενδιαφέρουν και άλλοι παράγοντες. Ο χρόνος που απαιτείται για την κατασκευή, η δυσκολία και πολυπλοκότητα της κατασκευής, η καθυστέρηση μετάδοσης της πληροφορίας αλλά και η αξιοπιστία του συστήματος αποτελούν σημαντικούς παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη στην σχεδίαση του δικτύου. Αλλά και στην καθημερινή ζωή, πολλές φορές χρειάζεται να ληφθούν σημαντικές αποφάσεις οι οποίες εξαρτώνται από περισσότερα από ένα κριτήρια. Παραδείγματος χάριν, άνθρωποι που ταξιδεύουν θέλουν να βελτιστοποιήσουν τη διανυόμενη απόσταση, το κόστος, και το χρόνο μετακίνησης. Το ζητούμενο είναι πως μπορεί να οδηγηθεί κανείς στη λήψη μιας βέλτιστης για αυτόν απόφασης, που κάτω από δεδομένες συνθήκες μπορεί να είναι περισσότερες από μία. Δηλαδή, δεν οδηγούμαστε σε μία μοναδική βέλτιστη λύση αλλά σε ένα σύνολο από «βέλτιστες» λύσεις και ο ενδιαφερόμενος, ανάλογα με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του προβλήματος, κάνει την τελική επιλογή. Το πρόβλημα ΕΓΔ, στο οποίο ζητείται η ελαχιστοποίηση περισσοτέρων του ενός κριτηρίων είναι γνωστό ως το πρόβλημα ΕΓΔ πολλαπλών κριτηρίων (multi-criteria minimum spanning tree problem). Η συνεισφορά της παρούσας διπλωματικής λοιπόν αποτελείται από δύο μέρη: Το πρώτο, εστιάζεται στην κριτική επισκόπηση και περιγραφή των υπαρχόντων μεθόδων επίλυσης του προβλήματος ΕΓΔ δύο κριτηρίων. Το δεύτερο, αφορά την υλοποίηση και πειραματική αξιολόγηση δύο βασικών αλγορίθμων για την επίλυση του εν λόγω προβλήματος. Συγκεκριμένα, υλοποιήθηκε η τροποποιημένη εκδοχή (για το πρόβλημα ΕΓΔ πολλαπλών κριτηρίων) του αλγορίθμου του Prim καθώς και μία προσεγγιστική μέθοδος επίλυσης του προβλήματος ΕΓΔ πολλαπλών κριτηρίων. / The minimum spanning tree problem (MST) is of high importance in network optimization. Given a connected graph G where each edge has a weight, the goal is to find the spanning tree with the least cost among all spanning trees of G. Due to its many practical applications, the MST problem has been studied in depth and many efficient polynomial-time algorithms have been developed by Sollin, Kruskal, Prim etc. But in real life, there cases where one has to take simultaneously into consideration many criteria in order to determine a MST because there are multiple weights defined on each edge of the graph. For example, when designing the layout of a telecommunication network, besides the cost for connections between cities or terminals we are interested in other factors too. The time for communication and construction, the difficulty of the construction or the reliability of the system are also important factors and need to be taken into consideration. But also in everyday life, in many cases we need to take decisions that depend on multiple criteria. For instance, people who travel want to minimize simultaneously the cost, the distance and the time. The problem is that in these cases there is not only one optimal solution but rather a set of optimal solutions and the decision maker depending on the characteristics of each case will make the final call. The MST problem in which we want to minimize more than one criteria is known as the multi-criteria minimum spanning tree problem. The contribution of this thesis is composed of two parts. The first part focuses on the critical survey and description of various methods for solving the bi-criteria case of the MST problem. The other part focuses on the implementation and the experimental evaluation of two known and important algorithms. More precisely, we have implemented the modified version of the Prim’s algorithm (for the multi-criteria MST problem) and one approximate algorithm as proposed by Hamacher & Ruhe.

Στην παρούσα εργασία ασχοληθήκαμε με την παρατηρησιμότητα σε μη-γραμμικά συστήματα, αφού πρώτα εξετάσαμε τα γραμμικά συστήματα μέσω μίας γεωμετρικής προσέγγισης. Αρχικώς, ασχοληθήκαμε με την παρατηρησιμότητα affine συστημάτων υπό τμηματικά σταθερές εισόδους. Στη συνέχεια μελετήσαμε τα ίδια συστήματα υπό διαφορίσιμες εισόδους. Κατόπιν, αποδείξαμε ένα θεώρημα που θέτει ένα άνω φράγμα στο πλήθος των Lie παραγωγίσεων της συνάρτησης εξόδου. Τέλος, εξετάσαμε τη μη-γραμμική μη-παρατηρησιμότητα σε γενικότερες κατηγορίες μη-γραμμικών συστημάτων με χρήση γραμμικών μεθόδων και logic dynamic approach. / This thesis is focused on the problem of observability in non-linear systems. A brief examination of linear systems via a geometric approach is initially given. First, observability of affine systems under piecewise constant controls is examined. Second, the same examination is repeated for the same systems under differentiable inputs. Moreover, a theorem that sets an upper bound on the number of Lie derivatives of the output functions is proved and explained. Finally, the non-linear unobservability of non-linear systems in general is presented under the scope of linear methods and logic dynamic approach.

Les systèmes robotiques et autonomes ne cessent d’évoluer et deviennent de plus en plus impliqués dans les missions à coût considérable et/ou dans les milieux humains. Par conséquent, les simulations et campagnes de tests ne sont plus adaptées à la problématique de sûreté et fiabilité des systèmes robotiques et autonomes compte tenu (i) du caractère sérieux des défaillances éventuelles dans les contextes susmentionnés (un dommage à un robot très coûteux ou plus dramatiquement une atteinte aux vies humaines) et (ii) de la nature non exhaustive de ces techniques (les tests et simulations peuvent toujours passer à côté d’un scénario d’exécution catastrophique.Les méthodes formelles, quant à elles, peinent à s’imposer dans le domaine de la robotique autonome, notamment au niveau fonctionnel des robots, i.e. les composants logiciels interagissant directement avec les capteurs et les actionneurs. Elle est due à plusieurs facteurs. D’abord, les composants fonctionnels reflètent un degré de complexité conséquent, ce qui mène souvent à une explosion combinatoire de l’espace d’états atteignables (comme l’exploration se veut exhaustive). En outre, les composants fonctionnels sont décrits à travers des languages et frameworks informels (ROS, GenoM, etc.). Leurs spécifications doivent alors être traduites en des modèles formels avant de pouvoir y appliquer les méthodes formelles associées. Ceci est souvent pénible, lent, exposé à des erreurs, et non automatique, ce qui implique un investissement dans le temps aux limites de la rentabilité. Nous proposons, dans cette thèse, de connecter GenoM3, un framework de développement et déploiement de composants fonctionnels robotiques, à des langages formels et leurs outils de vérification respectifs. Cette connexion se veut automatique: nous développons des templates en mesure de traduire n’importe quelle spécification de GenoM3 en langages formels. Ceci passe par une formalisation de GenoM3: une sémantique formelle opérationnelle est donnée au langage. Une traduction à partir de cette sémantique est réalisée vers des langages formels et prouvée correcte par bisimulation. Nous comparons de différents langages cibles, formalismes et techniques et tirerons les conclusions de cette comparaison. La modélisation se veut aussi, et surtout, efficace. Un modèle correct n’est pas forcément utile. En effet, le passage à l’échelle est particulièrement important.Cette thèse porte donc sur l'applicabilité des méthodes formelles aux compo-sants fonctionnels des systèmes robotiques et autonomes. Le but est d'aller vers des robots autonomes plus sûrs avec un comportement plus connu et prévisible. Cela passe par la mise en place d'un mécanisme de génération automatique de modèles formels à partir de modules fonctionnels de sys-tèmes robotiques et autonomes. Les langages et outils cibles sont Fiacre/TINA et UPPAAL (model checking), UPPAAL-SMC (statistical model checking), BIP/RTD-Finder (SAT solving), et BIP/Engine (enforcement de propriétés en ligne). Les modèles générés sont exploités pour vérifier des propriétés quali-tatives ou temps-réel, souvent critiques pour les systèmes robotiques et auto-nomes considérés. Parmi ces propriétés, on peut citer, à titre d'exemple, l'ordonnançabilité des tâches périodiques, la réactivité des tâches spora-diques, l'absence d’interblocages, la vivacité conditionnée (un évènement tou-jours finit par suivre un autre), la vivacité conditionnée bornée (un évène-ment toujours suit un autre dans un intervalle de temps borné), l'accessibilité (des états “indésirables” ne sont jamais atteints), etc.La thèse propose éga-lement une analyse du feedback expérimental afin de guider les ingénieurs à exploiter ces méthodes et techniques de vérification efficacement sur les mo-dèles automatiquement générés. / The goal of this thesis is to add to the efforts toward the long-sought objective of secure and safe robots with predictable and a priori known behavior. For the reasons given above, formal methods are used to model and verify crucial properties, with a focus on the functional level of robotic systems. The approach relies on automatic generation of formal models targeting several frameworks. For this, we give operational semantics to a robotic framework, then several mathematically proven translations are derived from such semantics. These translations are then automatized so any robotic functional layer specification can be translated automatically and promptly to various frameworks/languages. Thus, we provide a mathematically correct mapping from functional components to verifiable models. The obtained models are used to formulate and verify crucial properties (see examples above) on real-world complex robotic and autonomous systems. This thesis provides also a valuable feedback on the applicability of formal frameworks on real-world, complex systems and experience-based guidelines on the efficient use of formal-model automatic generators. In this context, efficiency relates to, for instance, how to use the different model checking tools optimally depending on the properties to verify, what to do when the models do not scale with model checking (e.g. the advantages and drawbacks of statistical model checking and runtime verification and when to use the former or the latter depending on the type of properties and the order of magnitude of timing constraints).

Un Système de production peut être représenté par les systèmes à événements discrets. En dehors de la planification (où les gens travaillent avec des ratios de produits fabriqués par semaine ou par jour), la modélisation pourrait être basée sur les concepts d'événement et d'activités. Un événement correspond à un changement d'état. Une activité est une boîte noire d'encapsulation de ce qui se passe entre deux événements. En utilisant les réseaux de Petri (RdP), les événements sont représentés par les transitions, et les activités par les lieux. Notre travail propose une synthèse de commande par supervision pour les systèmes d'événements discrets modélisés par une classe de réseaux de Petri appelé graphe d'événements. L'objective de cette thèse est de concevoir un superviseur capable d'aider à améliorer la performance de système et de protéger le système en respectant des spécifications données par le fabricant ou le client selon les besoins et les conditions de travail. Pour modéliser ces spécifications, nous avons proposé un nouveau modèle mathématique de contrainte, appelé Contrainte d'Exclusion de Marquage (CEM). La deuxième contribution principale de ma thèse est de synthétiser une technique efficace et simple pour construire un superviseur qui impose le système de respecter des contraintes en évitant l'ensemble des états interdits modélisé par CEM. Nous avons également développé cette synthèse pour résoudre le problème d'existence des événements incontrôlables et des événements inobservables. Parfois, afin d'étudier les aspects liés à la performance, nous devons prendre le temps en considération. Donc, nous avons résolu aussi le problème des événements temporisé en utilisant RdP temporisés soumis à CEM / A manufacturing system may be represented by Discrete Event System (DES). Apart from planning (where people work with ratios of products fabricated per week or per day), any modelling could be based on the concepts of event and activities. An event corresponds to a state change. An activity is a black-box summarizing what is occurring between two events. When using Petri Nets, events are associated with transitions, and activities with places. Our work proposes a supervisory synthesis for Discrete Event System modelled by a class of Petri Net called Marked Graph. The objective of this synthesis is to build a control law that enforces the system to respect a set of given specifications. To model these specifications, we propose new mathematical formulas called Marking Exclusion Constraint (MEC). This model is our first contribution. The Second main contribution of my thesis is to synthesize a computationally efficient technique to build a supervisor that enforces the system to respect the constraints by avoiding a set of forbidden states modelled by MEC specifications. We extend this synthesis technique to solve the problem in the presence of uncontrollable events and unobservable events. Sometimes in order to study the performance aspects, we must take in consideration the time data. Thus we address control synthesis for Timed Discrete Event Systems under MEC specifications by using Timed Petri Nets

En automatique, un observateur joue un rôle primordial dans la commande et la supervision des processus ou encore la détection de défauts, vu sa capacité à fournir des informations sur les valeurs des états non mesurés ou non disponibles. Dans ce contexte, cette thèse porte sur l'estimation non pas uniquement de l'état, mais aussi des paramètres inconnus affectant la dynamique du système de façon simultanée. Ce problème est traité pour des classes de systèmes non linéaires soumis à des retards constants et inconnus. Il représente un enjeu double, tant sur l'estimation conjointe de l'état et des paramètres inconnus, que dans la présence des retards qui affectent la dynamique des systèmes. Dans un premier temps, des observateurs fonctionnels robustes ont été développés pour des systèmes faisant intervenir des non linéarités état-commande et soumis à des retards. Le problème de la robustesse a été considérée, dans un premier temps, pour prendre en compte la présence de perturbations à énergie finie en faisant appel à la théorie Hinfini, et dans un second temps vis-à-vis d'incertitudes paramétriques affectant les paramètres du modèle du système à observer. Des conditions nécessaires et suffisantes pour l'existence des observateurs ont été données à travers la résolution d'équations de Sylvester. Cette résolution a permis de simplifier le problème avec le paramétrage des gains de l'observateur via un seul gain à déterminer. Comme l'étude de la convergence de l'observateur revient à étudier la stabilité de l'erreur d'estimation, la théorie de Lyapunov-Krasovskii dédiée à la stabilité des systèmes à retards a été utilisée en se basant sur une approche de type descripteur. Cette étude a permis d'aboutir à des conditions suffisantes de convergence asymptotique, exprimées sous forme de LMI. Tout au long du mémoire, la synthèse des observateurs a été considérée pour l'ordre plein et l'ordre réduit. Puis, les développements ont été étendus, au cas où on souhaite estimer l'état du système considéré simultanément avec certains paramètres inconnus affectant ce dernier. Deux pistes ont été étudiées à travers ce mémoire : lorsque le vecteur des paramètres inconnus agit linéairement par rapport à la dynamique du système et lorsque les paramètres inconnus agissent non linéairement par rapport à la dynamique du système. L'approche développée a permis d'étudier simultanément la convergence de l'état et des paramètres inconnus, ce qui a permis de relaxer certaines contraintes imposées lors de la synthèse des observateurs adaptatifs dans la littérature, notamment la contrainte d'excitation persistante considérée au niveau de la deuxième piste de recherche. Pour finir, les résultats obtenus ont été étendus à une classe de systèmes singuliers non linéaires, qui, outre les relations dynamiques, fait intervenir des relations algébriques / In automatic control reaserch fields, an observer plays a key role in the control and supervision of processes or the detection of faults, given its ability to provide information on the values of unmeasured or unavailable states. In this context, this thesis deals with the estimation not only of the state but also of the estimation of the unknown parameters affecting the dynamics of the system simultaneously with the state vector. In particular, the problem is addressed for classes of nonlinear systems subject to constant and unknown delays. This problem represents a dual challenge, both on joint estimation of unknown state and parameters, as well as the presence of delays that affect the system dynamics. First, functional observers were developed for systems subject to time delays and involving state-input nonlinearities. The problem of robustness was studied, initially, when some finite energy perturbations occured in the system dynamics, which required the H∞ theory in order to attenuate its effects. In a second time, it is treated when parametric uncertainties affect the model parameters. Necessary and sufficient conditions for the existence of observers have been given through the resolution of Sylvester's equations. This resolution made it possible to simplify the problem by setting the observer gains via a single gain to be determined. As the study of the observer's convergence returns to studying the stability of the estimation error, Lyapunov-Krasovskii theory dedicated to the stability of the delay systems was used based on the descriptor transformations. This study lead to sufficient conditions of a symptotic convergence, expressed in terms of LMI. Throughout the dissertation, the synthesis of observers was considered in full and reduced order cases. The developments were then extended to estimate the system states simultaneously with unknown parameters affecting its dynamics. Two approaches have been investigated through this memory: when the vector of the unknown parameters acts linearly with respect to the dynamics of the system and when the unknown parameters act nonlinearly with respect to this dynamics. The approach proposed in this work make it possible to simultaneously estimate the convergence of the state and unknown parameters, which made it possible to relax some constraints considered in the synthesis of adaptive observers in the literature. It concerns particularly the persistent excitation constraint considered in the second approach. Finally, the results obtained have been extended to the class of singular systems, which, in addition to the dynamic relations, involves algebraic relations in their description

Dans ce travail de thèse, la commande sans modèle a tout d'abord été appliquée et adaptée au cas des systèmes présentant un retard connu ou inconnu. Cette méthode de commande ne nécessitant pas la connaissance précise d'un modèle du système, elle trouve toute son efficacité dans l'appréhension de retards inconnus. Différentes adaptations de l'approche classique, reposant sur la minimisation de critères temporels et fréquentiels, ont été proposées suivant le contexte d'un retard connu, borné ou inconnu. Elles nous ont permis d'élargir le spectre des systèmes considérés et d'améliorer les performances intrinsèques de la commande sans modèle. Les systèmes retardés, qui sont la cible privilégiée de ce travail, ont pu bénéficier de ces améliorations. Le problème du diagnostic des systèmes à retard a ensuite été abordé. Une nouvelle méthode de diagnostic sans modèle a été proposée, fondée sur les principes mêmes de la commande sans modèle. Cette proposition s'appuie sur la seule évolution temporelle des signaux entrée/sortie du système. Par la génération de signaux résiduels, la détection et la localisation de défauts d'actionneurs et du système est assurée sous certaines hypothèses. Finalement, nous avons montré en quoi la commande sans modèle s'apparente à une commande tolérante aux défauts et son efficacité en tant que telle a été prouvée. Une différence importante est à souligner par comparaison à d'autres commandes plus classiques, de type PI par exemple. En effet, la commande sans modèle est non seulement robuste à des signaux perturbateurs basses fréquences en entrée, à l'identique d'une structure PI classique, mais elle permet également de rejeter d’autres types de signaux révélateurs de défauts via l’estimation de certains paramètres de synthèse. Tout au long du mémoire, l'efficacité des approches proposées en commande et en diagnostic est perçue au travers d'exemples académiques / In this thesis, the model-free control was applied and adapted to delayed systems whose delay is either known or unknown. This method of control does not require the specific knowledge of a model of the system, it finds all its effectiveness in the apprehension of the unknown delays. Different adaptations of the classical approach, based on the minimization of frequency and temporal criteria, have been proposed in the context of a known, bounded or unknown delay. They allowed us to extend the range of systems considered and to improve the intrinsic performance of the model-free control. The delayed systems, which are the main target of this thesis, were able to benefit from these improvements. The problem of the fault-diagnosis of delayed systems was then addressed. A new method of model-free diagnosis has been proposed, based on model-free control principles. Our proposal only uses the temporal evolution of the system's input and output signals. Due to the generation of residual signals, the detection and localization of actuator/system faults were permitted under certain assumptions. Finally, we have studied the fault-tolerance properties of model-free control and its efficacy has been proven. Compared with more conventional methods, such as the PI Controller for example, a notable difference is to be mentioned. Indeed, unlike a PI controller, the model-free control is robust not only to low-frequency input disturbance signals, but it also allows for the rejection of other signal types by estimating summary parameters. Throughout this report, the effectiveness of the proposed approaches was illustrated in terms of control or diagnosis by multiple academic examples