Ce travail de thèse est consacré à l'extension de l'Inversion Dynamique non-linéaire (NDI-Nonlinear Dynamic Inversion) pour un ensemble plus grand de systèmes non-linéaires, tout en garantissant des conditions de stabilité suffisantes. La NDI a été étudiée dans le cas de diverses applications, y compris en aéronautique et en aérospatiale. Elle permet de calculer des lois de contrôle capables de linéariser et de découpler un modèle non-linéaire à tout point de fonctionnement de son enveloppe d'état. Cependant cette méthode est intrinsèquement non-robuste aux erreurs de modélisation et aux saturations en entrée. En outre, dans un contexte non-linéaire, l'obtention d'une garantie quantifiable du domaine de stabilité atteint reste à l'heure actuelle complexe. Contrairement aux approches classiques de la NDI, notre méthodologie peut être considérée comme un cadre de compensation non-linéaire généralisé qui permet d'intégrer les incertitudes et les saturations en entrée dans le processus de conception. En utilisant des stratégies de contrôle antiwindup, la loi de pilotage peut être calculée grâce à un simple processus en deux phases. Dans ce cadre de travail généralisé des transformations linéaires fractionnaires (LFT - Linear Fractional Transformations) de la boucle fermée non-linéaire peuvent être facilement déduites pour l'analyse de la stabilité robuste en utilisant des outils standards pour de systèmes linéaires. La méthode proposée est testée pour le pilotage d'un véhicule de rentrée atmosphérique de type aile delta lors de ses phases hypersonique, transsonique et subsonique. Pour cette thèse, un simulateur du vol incluant divers facteurs externes ainsi que des erreurs de modélisation a été développé dans Simulink. / This thesis work is devoted to extending Nonlinear Dynamic Inversion (NDI) for a large scale of nonlinear systems while guaranteeing sufficient stability conditions. NDI has been studied in a wide range of applications, including aeronautics and aerospace. It allows to compute nonlinear control laws able to decouple and linearize a model at any operating point of its state envelope. However, this method is inherently non-robust to modelling errors and input saturations. Moreover, obtaining a quantifiable guarantee of the attained stability domain in a nonlinear control context is not a very straightforward task. Unlike standard NDI approaches, our methodology can be viewed as a generalized nonlinear compensation framework which allows to incorporate uncertainties and input saturations in the design process. Paralleling anti-windup strategies, the controller can be computed through a single multichannel optimization problem or through a simple two-step process. Within this framework, linear fractional transformations of the nonlinear closed-loop can be easily derived for robust stability analysis using standard tools for linear systems. The proposed method is tested for the flight control of a delta wing type reentry vehicle at hypersonic, transonic and subsonic phases of the atmospheric reentry. For this thesis work, a Flight Mechanics simulator including diverse external factors and modelling errors was developed in Simulink.

Les systèmes de communication prennent de nos jours une importance de plus en plus prépondérante dans tous les aspects de la vie courante et les exigences de connectivité se retrouvent dorénavant dans de très nombreux projets. Ces besoins de connexion exigent des débits de communication ainsi que des taux de couverture de plus en plus importants, poussant de ce fait vers l’utilisation de systèmes de communication par satellite (SATCOM). Les applications envisagées n’étant pas limitées à des installations fixes, celles-ci demandent de pouvoir assurer une communication par satellite depuis un porteur en mouvement. Il est donc nécessaire d’utiliser des servomécanismes de positionnement de l’antenne de façon à assurer un pointage correct de l’antenne vers le satellite. Ces positionneurs sont donc asservis de façon à orienter la ligne de visée de l’antenne vers le satellite, avec une erreur angulaire de l’ordre du dixième de degré. Cette précision a pour conséquences certaines exigences fortes sur la conception. Ces contraintes imposent l’utilisation de composants de qualité supérieure, des études mécaniques poussées ainsi que des réglages propres à chaque positionneur après assemblage. Dans le cadre de ces travaux de thèse, une stratégie de pointage différente de l’état de l’art a été conçue. Cette stratégie, nommée Helios (Hybrid Estimator of Line Of Sight), permet de lever certains verrous scientifiques spécifiques. Notamment, elle permet une diminution des performances requises de l’asservissement en position de l’antenne en fournissant une trajectoire plus facile à suivre. Cela permet une diminution des contraintes de conception, notamment mécaniques (frottements, raideurs …). Cela est rendu possible par une meilleure estimation de la direction à pointer, utilisant un plus grand nombre de mesures, sans introduire de retard dans l’estimation. Les moyens d’essais de Thales ont permis d’effectuer des essais expérimentaux sur des prototypes industriels. Ainsi, la stratégie est testée en simulation et en expérimentation sur un hexapode simulant un porteur, permettant un recalage du modèle de simulation à partir de données expérimentales. C’est ainsi que la stratégie est validée en conditions opérationnelles. Afin de réaliser ces tests expérimentaux, une étape de mise en place du moyen d’essais a été réalisée. Notamment, les outils de communication ont été mis au point (bus de terrains, liaisons série …). L’asservissement en position de la station a été réalisé à partir d’une identification non-paramétrique en boucle fermée du mécanisme. L’intégration de la station complète a été réalisée, permettant ainsi les tests en extérieur, sur un hexapode. / In military and civil application, satellite communications (SACTOM) are often needed on moving vehicles (drones, planes, land vehicles, vessels…) in order to transfer all kind of data (pictures, videos, internet …). These types of stations are called SATCOM On The Move (SOTM). In order insure high data rates, the antenna must be directional, which means that they direct electro-magnetic waves in a particular direction of space, called line of sight. The line of sight must be steered in order to be aligned with the satellite to insure a strong communication link with the highest data rate possible. Stabilized platforms, called Antenna Positioning System, aim to steer the antenna’s line of sight in the satellite direction. The pointing requirements are the source of conception constraints that reduce the cost efficiency of the overall station. This PhD report focus on the development and the study of a new pointing strategy called Helios (“Hybrid Estimator of LIne Of Sight”). This algorithm uses least squares to found the antenna pattern in real time, using an observation window. Among others, it allows to reduce the bandwidth of the control loops by generating a trajectory easier to follow. Therefore, it decreases the conception constraints (friction, backlash, field bus data rate …). Helios is tested through experimentation, using Thales industrial prototypes. The vehicle is emulated by a hexapod. Simulation is carried out in order to fit the measured experimental behavior. To do so, parametrical and non-parametrical identification has been done on the SOTM prototype. This way, Helios is validated and studied in operational conditions.

Dans cette thèse nous développons des structures de supervision permettant de définir des consignes optimales pour des actionneurs thermiques, ainsi que des stratégies de commande appropriées pour le pilotage d’une pompe à chaleur (PAC). Pour répondre à ces objectifs, plusieurs étapes ont été réalisées :- Modélisation orientée commande d’une PAC réversible, des thermistances, et de l’environnement permettant de les lier à l’intérieur de l’habitacle. Des modèles physiques ont été définis et intégrés dans une plateforme du type Model-in-the-Loop pour permettre a posteriori la validation des stratégies de commande et d’optimisation. - Commande d’une PAC. La linéarisation du modèle de PAC autour de certains points de fonctionnement a permis le développement de la commande de l’actionneur principal. La structure de commande proposée permet de prendre en compte, en boucle fermée, des contraintes d’état et d’entrée du système. Les performances de cette structure ont été analysées en considérant successivement des régulateurs principaux de type PI et Hinf. Enfin, des algorithmes réalisant le pilotage d’un actionneur secondaire du système ont été également proposés. - Optimisation des actionneurs thermiques. L’utilisation combinée de thermistances et de la PAC présente des avantages en termes de réduction de la consommation énergétique et/ou du maintien de la puissance thermique demandée dans des conditions aux limites de fonctionnement. Le problème d’optimisation a été résolu en deux temps : des solutions hors-ligne ont été obtenues par résolution d’un problème mixte en nombre entier avec modèle prédictif, puis utilisées pour déduire des stratégies embarquables sur le véhicule. / Through this thesis we develop some strategies to define the optimal set points for thermal actuators, as well as an adequate control strategy for a heat pump. To this extent, different steps were carried out:- Control-oriented modeling of a reversible heat pump, thermistors, and the environment connecting these elements to the interior of the car’s cabin. Simplified but non-linear physical models were defined and used to build a Model-in-the-Loop platform, which would later be considered for the validation of the control and optimization strategies. - Control of a heat pump. The linearization of the heat pump model around some operating points was used to develop the control of the electric compressor, being the main actuator. The proposed control structure takes into account, in closed loop, input and state constraints. The performance of the structure was analyzed by using main controllers of PI and Hinf type. Lastly, some control algorithms were also proposed to control a second actuator of the system. - Thermal actuators optimization. Despite the high efficiency of the heat pump, the use of thermistors can be advantageous both for reducing the energetic consumption and/or to ensure the thermal power requests in extreme conditions. The optimization problem was carried out in two steps: offline solutions were firstly obtained solving a mixed-integer problem with predictive model, then used to derive some strategies that could be embedded in the vehicle.

Les technologies avancées de semi-conducteur permettent de mettre en œuvre un contrôleur numérique dédié aux convertisseurs à découpage, de faible puissance et de fréquence de découpage élevée sur FPGA et ASIC. Cette thèse vise à proposer des contrôleurs numériques des performances élevées, de faible consommation énergétique et qui peuvent être implémentés facilement. En plus des contrôleurs numériques existants comme PID, RST, tri-mode et par mode de glissement, un nouveau contrôleur numérique (DDP) pour le convertisseur abaisseur de tension est proposé sur le principe de la commande prédictive: il introduit une nouvelle variable de contrôle qui est la position de la largeur d'impulsion permettant de contrôler de façon simultanée le courant dans l'inductance et la tension de sortie. La solution permet une dynamique très rapide en transitoire, aussi bien pour la variation de la charge que pour les changements de tension de référence. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances de ce contrôleur jusqu'à la fréquence de découpage de 4MHz. Un contrôleur numérique nécessite une modulation numérique de largeur d'impulsion (DPWM). L'approche Sigma-Delta de la DPWM est un bon candidat en ce qui concerne le compromis entre la complexité et les performances. Un guide de conception d'étage Sigma-Delta pour le DPWM est présenté. Une architecture améliorée de traditionnelles 1-1 MASH Sigma-Delta DPWM est synthétisée sans détérioration de la stabilité en boucle fermée ainsi qu'en préservant un coût raisonnable en ressources matérielles. Les résultats expérimentaux sur FPGA vérifient les performances des DPWM proposées en régimes stationnaire et transitoire. Deux ASICs sont portés en CMOS 0,35µm: le contrôleur en tri-mode pour le convertisseur abaisseur de tension et la commande par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension. Les bancs de test sont conçus pour conduire à un modèle d'évaluation de consommation énergétique. Pour le contrôleur en tri-mode, la consommation de puissance mesurée est seulement de 24,56mW/MHz lorsque le ratio de temps en régime de repos (stand-by) est 0,7. Les consommations de puissance de command par mode de glissement pour les convertisseurs abaisseur et élévateur de tension sont respectivement de 4,46mW/MHz et 4,79mW/MHz. En utilisant le modèle de puissance, une consommation de la puissance estimée inférieure à 1mW/MHz est envisageable dans des technologies CMOS plus avancées. Comparé aux contrôlés homologues analogiques de l'état de l'art, les prototypes ASICs illustrent la possibilité d'atteindre un rendement comparable pour les applications de faible et de moyen puissance mais avec l'avantage d'une meilleure précision et une meilleure flexibilité.

Ce mémoire présente le travail de recherche effectué pour la conception d'une stratégie de commande originale, destinée aux systèmes de puissance hybrides en sites isolés. Le système considéré, voué à l'alimentation électrique d'une habitation, comprend deux sources, un groupe de panneaux photovoltaïques et une petite éolienne, et deux types de stockage, un banc de batteries lithium-ion et un de supercondensateurs. Face au problème de gestion de l'énergie dans un système hybride, et aux enjeux de maximisation de sa puissance produite, nous proposons de développer une stratégie de commande basée sur les flux d'énergie. pour cela, nous présentons dans un premier temps les modélisations d'Euler-Lagrange et hamiltonienne du système. Ces modèles permettent d'utiliser la propriété de passivité de celui-ci, et ainsi de synthétiser des commandes par injection d'amortissement pour chaque source, afin de maximiser sa production, et pour les supercondensateurs, dans le but d'assurer une répartition cohérente des flux d'énergie entre eux et les batteries. Les commandes sont finalement mises en œuvre dans un simulateur, puis dans un banc d'essai expérimental, afin d'une part de comparer leurs performances à celles de solutions préexistantes, et d'autre part de valider le bon fonctionnement du système hybride complet les utilisant.

Ce travail de recherche s'intéresse à la commande sans capteur mécanique du moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) à pôles saillants, particulièrement en basse vitesse, avec détection de la position initiale du rotor. Après une présentation des techniques et approches qui ont initié nos travaux, en terme d'estimation de la vitesse et/ou de la position, nous avons choisi celles qui présentent plus d'intérêt de point de vue stabilité, robustesse, précision et simplicité d'implémentation. La première approche est basée sur le Système Adaptatif avec Modèle de Référence (MRAS). Quant à la deuxième, elle est réalisée autour d'un observateur non-linéaire pour l'estimation de la position et de la vitesse du MSAP à pôles saillants. Les deux techniques d'observation de la vitesse sont associées à une commande par orientation du flux rotorique avec la technique MLI vectorielle. Pour détecter la position initiale du rotor, nous avons utilisé une nouvelle approche qui permet d'estimer cette position avec une incertitude de 5° mécanique. Cette nouvelle approche est basée sur l'application de signaux tests aux bornes des phases statoriques du MSAP. Des résultats de simulation et expérimentaux sont présentés tout au long de ces travaux pour valider les études théoriques de la commande vectorielle sans capteur mécanique du MSAP. Enfin, nous avons étudié et analysé les performances de la commande tolérante aux défauts sans capteur mécanique du MSAP en présence de défaillances de types transistors à l'état-off. Les résultats expérimentaux obtenus avec les deux approches d'estimation de la vitesse en utilisant l'observateur MRAS et un observateur non linéaire ont permis d'améliorer la fiabilité du système de manière à rendre possible la commande vectorielle sans capteur mécanique en mode dégradé (alimentation avec deux bras de l'onduleur). En effet, les résultats de la commande sans capteur mécanique de la MSAP en mode dégradé montrent que l'observateur non linéaire est le mieux adapté pour ce type de fonctionnement car il présente de faible ondulation du couple et de vitesse. A l'aide d'un banc d'essais que nous avons développé au laboratoire LSIS-pôle Ecole Centrale de Marseille (ECM), nous avons pu valider expérimentalement les différentes approches proposées dans ce travail de recherche. Les résultats obtenus montrent l'efficacité des techniques mises en œuvre pour la commande vectorielle sans capteur mécanique du MSAP à pôle saillant en termes de robustesse, stabilité, précision et rapidité.

Ce mémoire présente le travail de recherche effectué pour la conception d'une stratégie de commande originale, destinée aux systèmes de puissance hybrides en sites isolés. Le système considéré, voué à l'alimentation électrique d'une habitation, comprend deux sources, un groupe de panneaux photovoltaïques et une petite éolienne, et deux types de stockage, un banc de batteries lithium-ion et un de supercondensateurs. Face au problème de gestion de l'énergie dans un système hybride, et aux enjeux de maximisation de sa puissance produite, nous proposons de développer une stratégie de commande basée sur les flux d'énergie. pour cela, nous présentons dans un premier temps les modélisations d'Euler-Lagrange et hamiltonienne du système. Ces modèles permettent d'utiliser la propriété de passivité de celui-ci, et ainsi de synthétiser des commandes par injection d'amortissement pour chaque source, afin de maximiser sa production, et pour les supercondensateurs, dans le but d'assurer une répartition cohérente des flux d'énergie entre eux et les batteries. Les commandes sont finalement mises en œuvre dans un simulateur, puis dans un banc d'essai expérimental, afin d'une part de comparer leurs performances à celles de solutions préexistantes, et d'autre part de valider le bon fonctionnement du système hybride complet les utilisant. / This thesis presents the research about design of a new control strategy for stand-alone hybrid power systems. The considered system is composed of two sources, a group of photovoltaic panels and a low-power wind generator, and of two kinds of storage, a bank of lithium-ion batteries and one of supercapacitors. Faced with the problem of energy management in a hybrid power system, and with necessity of maximizing the produced power, we intend to develop an energy-based control strategy.For this purpose, we present the system's Euler-Lagrange modeling and Hamiltonian modeling. These models allow the use of the passivity property, and then the design of Passivity-Based Controllers for each source, in order to maximize its production, and for the supercapacitors, to ensure a fitted power sharing between batteries and them. The controllers are finally implemented in a simulator, and then in a experimental test bench, in order to compare their performances to pre-existent solutions, and tovalidate the control law for the global hybrid system.

De nos jours, l’exploitation des énergies renouvelables afin de générer de l’électricité est en croissance soutenue puisqu’elles sont à ressource illimitée, gratuites et ne provoquent pas de déchets ou d’émissions polluantes. Dans cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types d’énergie à savoir l’énergie issue des courants marins. Il s’agit plus particulièrement de s’intéresser à la commande tolérante aux défauts des systèmes de récupération de l’énergie des courants marins. Le potentiel de la production d'électricité à partir des courants marins est estimé à une production de 100 GW dans le monde. Cependant, ces chaînes de conversion d’énergie sont exposées et soumises à des contraintes fonctionnelles et environnementales importantes et sévères. Ces contraintes favorisent inévitablement la dégradation des performances des différents blocs fonctionnels de ces systèmes et l’accélération de leur processus de vieillissement, conduisant ainsi à l’apparition des défauts d’origines mécaniques et/ou électriques. Ainsi, la mise en place des techniques de commande tolérantes aux défauts de ces systèmes permettra d’améliorer la fiabilité, les performances et réduire les coûts relatifs au fonctionnement en mode dégradé et aux opérations de maintenance. Le but des travaux de cette thèse est l’étude, la modélisation et la simulation d’une chaîne de conversion hydrolienne à vitesse variable dans le cas sain et le cas d’un défaut (soit au niveau de la machine synchrone à aimants permanents (défaut de la désaimantation) ou au niveau du convertisseur statique (défaut d’un circuit ouvert d’un interrupteur). Il s’agira donc d’étudier les différentes commandes tolérantes aux défauts utilisées en cas d’un défaut au niveau de la génératrice ou au niveau de l’électronique de puissance associée. / Nowadays, the exploitation of renewable energies in order to generate electricity is growing steadily because they are unlimited resources, free and don’t cause waste or polluting emissions. In this context, it is proposed to study one of these types of energy, which is marine currents energy. In particular, we are interested in fault-tolerant control of tidal turbines. The potential for power generation from marine currents is estimated at 100GW in the world. However, tidal turbines are submitted to severe operational and environmental constraints. These constraints inevitably will lead to these systems performance degradation and the acceleration of their aging process, thus leading to the occurrence of mechanical and/or electrical faults. The implementation of fault-tolerant control techniques will improve the tidal turbines reliability, performance, and reduce costs relating to maintenance operations. The aim of this thesis is to study, model, and simulate a tidal turbine system in healthy and faulty conditions (either in the converter (switch open circuit) or in the permanent magnet synchronous generator (magnet failure). Various fault-tolerant control approaches are therefore evaluated and compared under these specific failure It will therefore be necessary to study the various fault-tolerant controls used in the event of a fault in the generator or in the associated power electronics.

La thèse propose un concept de microbancs optiques reconfigurables (MOEMS 3D hybrides) à base d'éléments microfabriqués et assemblés à l'aide d'une station robotique : ces nouveaux bancs optiques combinent les avantages du micro-assemblage robotique et des techniques de microfabrication sur silicium. Le positionnement fin des supports optiques sur un substrat s'effectue par une tâche de guidage. La réalisation d'une telle tâche à l'échelle micrométrique est une contribution majeure de la thèse. Elle a nécessité plusieurs avancées. L'absence de modèles fiables et de mesures disponibles pour des contacts plan/plan, un type de contact très fréquent en micro-assemblage, nous a conduit au développement d'un banc de mesure robotisé pour évaluer la force de pull-off. Ensuite, un système robotique équipé de préhenseur à deux doigts de serrage instrumentés a été mis en oeuvre pour mesurer simultanément la force de serrage et la force de contact latéral qui agit sur le micro-objet manipulé durant le guidage. Un modèle de l'évolution de la force de serrage lors de l'apparition de la force de contact latéral est présenté et confronté à une modélisation par éléments finis ainsi qu'à des résultats expérimentaux. Enfin, une stratégie de guidage est établie en prenant en compte la stabilité de la saisie et les spécificités du micromonde. Une commande hybride force/position est choisie pour automatiser le guidage par deux doigts instrumentés (GDDI). Elle a été mise en oeuvre avec succès sur un système robotique.

Ces travaux concernent la modélisation dynamique et la commande des alternateurs couplés dans les réseaux électriques embarqués. Ces réseaux de puissance finie sont des systèmes multi-alternateurs multi-charges en forte interaction. Deux approches de modélisation ont été élaborées. La première, en vue de la simulation, consiste à établir une méthodologie de modélisation des systèmes multi-alternateurs multi-charges. Le système est subdivisé en deux sous systèmes découplés, l'un de nature électrique et l'autre de nature mécanique. L'établissement du modèle d'état électrique global repose d'une part sur l'écriture des constituants du réseau dans un même référentiel, et d'autre part sur l'application des lois reliant les circuits électriques. Afin d'optimiser le temps de calcul, les règles d'établissement du modèle global sont enrichies et une méthode d'inversion de la matrice inductance est proposée. La deuxième, en vue de la commande, explore et compare deux modèles, l'un de type comportemental et l'autre basé sur la théorie des perturbations singulières. Les régulateurs synthétisés ont été comparés sur un simulateur élémentaire. Une ébauche sur l'apport des régulateurs à paramètres variables a été présentée. Deux bancs d'essais ont été réalisés. Le premier est de type logiciel. Il reproduit le comportement temporel du réseau à topologie variable pour divers régimes, ainsi que des phénomènes comme le couplage, le découplage et la désynchronisation. Il permet aussi de tester les algorithmes de commande et les régulateurs : tension, répartition de puissance..... Le deuxième de type expérimental, valide les approches de modélisation, de simulation et de commande proposées.