Un Système Contrôlé en Réseau (SCR en français, NCS (Networked Control System) en anglais) est un système de contrôle/commande distribué dans lequel les informations sont échangées en temps réel via un réseau reliant capteurs, actionneurs, contrôleurs, …) Ces SCR sont présents dans de nombreuses applications industrielles tels que les systèmes de production, les systèmes contrôlés à distance, les véhicules autonomes, la téléopération, …. Les principaux avantages de ces systèmes sont la flexibilité de leur architecture et la réduction des coûts d'installation et de maintenance, le principal inconvénient est les effets dus au réseau tels que les retards de transmission, qui influencent les performances et la stabilité de la boucle de régulation, ces systèmes sont également vulnérables aux cyber – attaques.Cette thèse apporte quelques contributions sur la détection des cyber attaques ainsi que le développement d'un contrôleur capable de traiter les effets des retards temporels.Pour atteindre cet objectif, la méthode proposée est d'adapter une commande sans modèle et d'améliorer son utilisation dans les Systèmes Contrôlés en Réseau. L'idée principale est basée sur le bénéfice mutuel d'un prédicteur de Smith et du modèle de base de la commande sans modèle. Ensuite, la structure intelligente de la commande sans modèle est appliquée avec une commande prédictive généralisée (GPC Generalized Predictive Control) de manière à obtenir une commande prédictive généralisée intelligente, qui est une amélioration du contrôleur généralisé standard. Ce contrôleur est conçu selon deux méthodes différentes pour détecter les cyber attaques.Parallèlement, un nouveau mécanisme de sécurité basé sur une réponse trompeuse pour les cyber attaques dans les Systèmes Contrôlés en Réseau est proposé. Le mécanisme proposé peut permettre d'arrêter une cyber-attaque en apportant une dernière ligne de défense lorsque l'attaquant a un accès à l'installation distante.Enfin, deux détecteurs d'attaque de piratage de commande sont introduits. L'objectif est de pouvoir détecter une attaque tel que le cas Stuxnet où le contrôleur a été détourné par reprogrammation. L'avantage des détecteurs proposés est qu'il ne nécessite pas d'avoir a priori un modèle mathématique du contrôleur. / A networked control system (NCS) is a control system in which the control loop is closed over a real-time network. NCSs are used in many industrial applications, and also in applications such as remote control, unmanned aerial vehicles or surgical teleoperation, ... The major advantages of NCS are a flexible architecture and a reduction of installation and maintenance costs, the main disadvantage of NCS is the network effects, such as time-delays, that influence the performance and stability of the control loop. These systems are also vulnerable to cyber attacks.This thesis makes some contributions regarding the detection of cyber-physical attacks as well as the development of a controller which capable of dealing with the other the bad effects of the network like time-delays.To achieve this goal, the proposed approach is to adapt model-free controller and to improve its use in NCS. The main idea is based on mutual benefit between Smith predictor and the basic model-free controller. Then, the intelligent structure of model-free control is applied along with Generalized Predictive Controller (GPC) to achieve the Intelligent Generalized Predictive Controller (IGPC) as an enhancement for the standard GPC. The IGPC is designed along with two different methods for cyber-attack detection.Moreover, a new security mechanism based on the deception for the cyber-physical attacks in NCS is proposed, this mechanism can allow to stop the cyber-attacks by providing the last line of defense when the attacker has an access to the remote plant.Finally, two detectors for controller hijacking attack are introduced. The objective is to be able to detect an attack such as the Stuxnet case where the controller has been reprogrammed and hijacked. The advantage of these proposed detectors is that there is not necessary to have a priori mathematical model of the controller.

Le problème de discernabilité des comportements entrées-sorties de deux systèmes dynamiquesse pose dans de nombreuses applications telles que l’observation et la commande dessystèmes dynamiques hybrides. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la caractérisation decette propriété de discernabilité des comportements entrées-sorties. Pour la classe des systèmesdynamiques linéaires et non-linéaires affines en la commande, nous établissons : des conditionsde discernabilité stricte qui garantissent la discernabilité des systèmes quelles que soient lescommandes qui leur sont conjointement appliquées ; des conditions de discernabilité contrôlablequi assurent l’existence d’au moins une commande qui rend discernable les sorties ; desconditions de résidu-discernabilité qui caractérisent la discernabilité à travers les résidus issusde la méthode de l’espace de parité. Outre ces différentes conditions, nous spécifions dans le caslinéaire, une forme de distance qui permet de quantifier pour une commande donnée, le degréde discernabilité des systèmes ainsi que la robustesse de la propriété de discernabilité. / The distinguishability of the input-output behavior of two dynamical systems plays a crucialrole in many applications such as control and observation of hybrid dynamical systems. Thisthesis aims to characterize this property of distinguishability. For linear systems and nonlinearcontrol-affine systems, we establish: conditions for strict distinguishability that ensure thedistinguishability of the systems for every control input jointly applied to them; conditions forcontrolled-distinguishability that guarantee the existence of a control input which makes distinguishable the outputs of the systems; conditions for residual-distinguishability that characterize the distinguishability of the modes through parity-space residuals. Moreover, in the linear case, a metric is specified in order to quantify for a given control input, the distinguishability degreeof the systems and the robustness of the property of distinguishability.

Un nouvel algorithme de contrôle de miroir déformable à base de ferrofluide a été proposé afin de répondre à un besoin spécifique des entreprises de fabrication de lentille de précision. Il s'est avéré efficace pour améliorer la précision du contrôle en boucle ouverte par rapport à la méthode usuelle. Il a été estimé que le miroir utilisé pouvait produire une surface avec une fiabilité à X/5, à la condition de porter une attention particulière aux instruments utilisés. Les analyses de reproductivité ont confirmé la faible sensibilité du système aux paramètres potentiellement problématiques et ont permis de déterminer une erreur maximale de 2

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / L'exploitation de l'énergie éolienne est à l'heure actuelle en pleine expansion et plusieurs sites exploités sont situés dans régions où les conditions climatiques hivernales sont extrêmes. Les données fournies par les anémomètres, qui sont indispensables au bon fonctionnement des éoliennes, sont souvent inutilisables à cause de la formation de glace sur les instruments. Le bureau de design du département de génie mécanique de l'université Laval s'est donc intéressé à la conception d'un nouvel anémomètre antiglace. L'objectif spécifique au présent travail était de développer un système de contrôle du chauffage de ce nouvel anémomètre anti-glace lui permettant de rester libre de glace tout en minimisant le chauffage nécessaire pour y parvenir. La conception d'une chambre de simulation des conditions climatiques s'est tout d'abord avérée nécessaire. Il s'agit d'une enceinte réfrigérée comprenant une section d'essai balayée par un écoulement d'air généré par un ventilateur. Un atomiseur d'eau situé à l'intérieur de l'enceinte permet de simuler les précipitations. En faisant varier les paramètres dans la chambre, comme la température, différents types de glace peuvent être formés. Par la suite, un algorithme de reconnaissance du type de glace sur les coupoles a été développé. Une image de l'anémomètre est prise en synchronisme avec le mouvement du rotor afin de visualiser les coupoles dans la même orientation sur chaque prise de vue. Cette image est ensuite traitée par un réseau de neurone qui détermine le type de glace présent sur les coupoles. Par la suite, un deuxième paramètre, soit la proportion de glace recouvrant les coupoles, est déterminé en fonction du type de glace reconnu. Finalement, les données fournies par le système de reconnaissance du type de glace sont utilisées pour le contrôle du chauffage de l'anémomètre. Le système comprend un contrôleur neuronique qui détermine la puissance à envoyer aux coupoles pour conserver l'instrument libre de glace. La décision est basée sur l'état de glace actuel ainsi que sur l'historique de l'état de glace ct du chauffage appliqué. L'un des avantages du contrôleur neuronique utilisé est la poursuite de la phase d'apprentissage en cours d'utilisation, permettant au réseau d'adapter sa réponse aux nouvelles situations rencontrées. Des essais comparatifs ont permis de conclure que le contrôleur développé permet une économie d'énergie moyenne de 40% par rapport à des contrôleurs traditionnels pour un comportement anti-glace équivalent.

Cet ouvrage présente les étapes suivies pour la conception de régulateurs en orientation et en position pour un mini véhicule aérien à ailes fixes effectuant des vols stationnaires en milieu restreint. Un banc d'essai permettant de tester les algorithmes de commande sur un avion a été construit. Les mesures d'orientation sont obtenues à l'aide d'un capteur inertiel embarqué sur l'avion. Les modèles permettant la conception des différents régulateurs furent identifiés à partir de données expérimentales obtenues à l'aide d'un pilote expérimenté et de régulateurs préliminaires. La sélection de la structure du modèle est basée sur la linéarisation d'un modèle physique à six degrés de liberté. La conception des régulateurs est basée sur une méthode du domaine fréquentiel impliquant le diagramme de Nichols. Des simulations ainsi que des tests en vol sont présentés pour montrer les performances obtenues.

Ce projet de maîtrise s'effectue en collaboration avec un partenaire industriel, soit le groupe process analytical support group chez Pzer Global Manufacturing Services. L'objectif général de ce partenariat est d'accroître le niveau d'automatisation dans la chaîne de fabrication de l'industrie pharmaceutique. Notamment, des améliorations sont possibles dans l'instrumentation des équipements ainsi que dans l'asservissement de ceux-ci par des stratégies d'optimisation en temps réel. Cet ouvrage s'attaque spécifiquement au cas du séchoir à lit fluidisé. Ce procédé est décrit par une dynamique non linéaire si bien que les outils disponibles pour concevoir une commande prédictive couplée d'un observateur n'offrent pas présentement la flexibilité requise pour répondre à l'objectif du projet. La programmation d'une application de type interface graphique permet à son utilisateur de concevoir ces stratégies pour le procédé de son choix. L'application a été validée en concevant cinq observateurs non linéaires pour le séchage de granules pharmaceutiques. L'objectif est de pouvoir fournir une mesure de teneur en eau ande remplacer la sonde proche infrarouge actuellement utilisée. Il a été montré que certains observateurs sont en mesure de reproduire précisément les données expérimentales tout en montrant un effort de calcul plus acceptable. Ainsi, l'application permet de déployer facilement des solutions efficaces et mesurables pour l'asservissement de procédés pharmaceutiques,dont l'instrumentation du séchoir à lit fluidisé est un exemple spécique. Le déploiement au sein du groupe de recherche de l'application et son amélioration fait partie des travaux futurs. / This work is in partnership with the process analytical support group at Pzer Global Manu-facturing Services. The objective is to increase the level of automation in the pharmaceutical manufacturing process. Possible improvements lie in the instrumentation and control of the equipment. This work particularly aims the discontinuous fluid bed drying (FBD) case. A nonlinear dynamic describes the FBD operation as well as many other pharmaceutical process. Actual predictive control conception tools are not flexible enough. Hence, the programming of a graphical user interface software allows the user to design a control algorithm for nonlinear processes. Validation is ensured by generating five nonlinear estimators to monitor the drying. One of these, based on the moving horizon estimator, could replace the near-infrared probe on the fluid bed dryer as a moisture content soft sensor. Results show that the estimator reproduce accurately the pilot scale experimental data with a moderate computational effort. Thus, the software allows to easily implement control and observation strategies for the pharmaceutical industry Future works imply the deployment and the improvement of the software.

L'objectif de ce mémoire est de développer des interfaces de contrôle et d'identification du robot IBM 7576 avec le modèle de base dans lequel, nous traitons l'aspect général des contrôleurs de manipulateurs et conceptuel du fonctionnement du robot. Faire établir la communication entre le robot et l'ordinateur via toutes les cartes d'acquisitions, créer une interface ayant deux fonctions (contrôle et identification) du robot IBM 7576.

Dans ce projet de mémoire, on tente de définir une commande nouvelle d’un système modélisé à paramètres variables. La commande par mode glissant définie dans le plan de phase constitue la base de la transformation afin de trouver la nouvelle commande recherchée. Celle-ci est effectivement optimale en minimisant le temps de la réponse temporelle en plus de s'assurer de la stabilité du système. Utilisant la transformation, il a été possible de prédire les trajectoires dans le plan d’état. De ce cas, une commande glissante en forme explicite est obtenue. Une plate-forme mobile de soudage (PFM) est choisie comme le système étudié pour appliquer ces commandes. Par ailleurs, une plate-forme informatique aux trois niveaux est construite pour faire la transformation et la visualisation d’application des commandes proposées ci-dessus. Mots clés : variables d’état, plan de phase, plan d’état, commande par mode glissante, commande glissante. / In this thesis a new control method have been defined to apply in the variable parameters model system. A sliding mode control defined in the phase plane is the basis of the transformation for finding this new desired control. The sliding mode control is an optimal method for both minimizing the response time and ensuring the stability of system. With this transformation, it is possible to predict the trajectories in the state plan. In this case, a sliding control with an explicit form can be obtained in the state plan. A mobile platform of welding (PFM) is chosen as example for applying the sliding mode controls and the sliding control. Furthermore, an IT platform with three levels is built up to do the transformation and visualize the application of those controls mentioned above. Key words : variables states, phase plane, state plan, sliding mode control, sliding control.

Avec la venue des lampes aux DELs sur le marché de l'éclairage, une forte tendance pour un éclairage plus efficace, efficient et dirigé est apparue. Le projet se positionne à l'avant garde de cette tendance en développant un prototype de démonstration pour faire l'évaluation de nouveaux algorithmes d'éclairage intelligent. Le coeur du prototype de démonstration est un modulateur lumineux aux cristaux liquides récemment développé pour ouvrir les faisceaux lumineux émis par les DELs. Ces modules sont contrôlés par des signaux électriques et possèdent une plage de fonctionnement très linéaire. Cette propriété permet d'envisager le développement d'applications d'éclairage intelligent en boucle fermée avec une caméra comme capteur. L'utilisation de la vision numérique est une avenue prometteuse pour le développement d'application intelligente. Le prototype de démonstration développé inclut une source de lumière DEL haute puissance, le modulateur lumineux aux cristaux liquides, une caméra et toute l'électronique nécessaire pour implanter une fonctionnalité de boucle fermée par vision numérique. / Since the massive invasion of LED lighting over the illumination market, a clear trend of need appeared for a more efficient and targeted lighting. The project leads this trend by developing an evaluation board to test smart lighting applications with a new liquid crystal light modulator recently developed for broadening LED light beams. These modulator are controlled by electricals signals and they are characterised by a very linear working zone. This feature allows the implementation of a closed loop control with a sensor feedback. We show that the use of computer vision is a promising opportunity for closed loop control. The developed evaluation board integrates the liquid crystal modulator, a camera, a LED light source and all the required electronics to implement a closed loop control with a computer vision algorithm.

L’apprentissage manuel d’un mouvement à un robot est déjà chose faite de nos jours. Cependant, les équipements utilisés afin de détecter le mouvement souhaité sont actuellement des capteurs de force. Ceux-ci sont réputés pour être compacts et robustes, mais demandent d’appliquer une certaine force sur le robot avant qu’il se déplace ce qui donne l’impression qu’il y a un délai de réponse. L’objectif principal du projet de recherche consiste à développer un capteur de déplacement sous la forme d’un mini manipulateur parallèle passif pouvant être monté au poignet d’un robot sériel afin de le contrôler par déplacement. Le capteur servira d’interface dynamique pour la manipulation du robot par un humain. Le but est de rendre le contrôle le plus intuitif possible pour l’utilisateur. Le concept est de forme circulaire et est conçu pour être monté autour du poignet du robot de sorte que l’utilisateur a l’impression de déplacer directement le robot. Le résultat de ce projet permettra de faciliter le contrôle manuel d’un robot sériel et de le rendre plus intuitif. Ceci pourra être mis en application pour l’apprentissage de trajectoires à un robot ou encore pour faciliter le déplacement, non répétitif, de charges lourdes. / Teaching a prescribed trajectory to a robot manually is possible using current technology. However, to accomplish this, the robot needs to have load sensors. This type of sensor is robust and compact but creates a lag time caused by the time to apply the load on the sensor and the processing time. The main goal of this research project is to develop a displacement sensor. This sensor consists of a miniature passive parallel robot and is designed to be mounted on the wrist of a serial robot. The user will be able to move the parallel robot to control the serial one. The sensor will be used as a dynamic interface when manipulated by the user. Since the effector is circular and mounted around the wrist of the robot, the user will have the impression to directly control the robot. The goal of using this type of sensor is to give the user a more intuitive feeling and a minimum lag time. The prototype can be used to teach a prescribed trajectory to a robot or to move a heavy loads along non-repetitive paths.