Depuis plus de trente ans, la Société du Canal de Provence gère l'ensemble de ses ouvrages grâce à la régulation dynamique. L'intégration d'une commande multivariable permettra une optimisation globale du système.<br />Le développement est effectué sur la branche d'Aix nord du canal de Provence. Un modèle non-linéaire est construit et calé sur des mesures de terrain.<br />Le contrôleur optimal développé est proposé dans une version asymptotique, et dans une version comportant un préfiltre non asymptotique pour la prévision. Un observateur d'état est également défini, ainsi qu'un observateur de prélèvements inconnus.<br />La robustesse de l'ensemble contrôleur - observateur est testée. Le système étudié comportant une station de pompage à commande discrète, une méthode de gestion de cet ouvrage est définie. <br />Des tests classiques sur modèle permettent d'étudier le comportement du contrôleur. Enfin, la commande est comparée au contrôleur actuellement en fonction sur un scénario extrait des archives.

Cette thèse est une étude de méthodes permettant d'estimer des fonctions valeur avec des réseaux de neurones feedforward dans l'apprentissage par renforcement. Elle traite plus particulièrement de problèmes en temps et en espace continus, tels que les tâches de contrôle moteur. Dans ce travail, l'algorithme TD(lambda) continu est perfectionné pour traiter des situations avec des états et des commandes discontinus, et l'algorithme vario-eta est proposé pour effectuer la descente de gradient de manière efficace. Les contributions essentielles de cette thèse sont des succès expérimentaux qui indiquent clairement le potentiel des réseaux de neurones feedforward pour estimer des fonctions valeur en dimension élevée. Les approximateurs de fonctions linéaires sont souvent préférés dans l'apprentissage par renforcement, mais l'estimation de fonctions valeur dans les travaux précédents se limite à des systèmes mécaniques avec très peu de degrés de liberté. La méthode présentée dans cette thèse a été appliquée avec succès sur une tâche originale d'apprentissage de la natation par un robot articulé simulé, avec 4 variables de commande et 12 variables d'état indépendantes, ce qui est sensiblement plus complexe que les problèmes qui ont été résolus avec des approximateurs de fonction linéaires.

Le but principal de nos travaux est de commander la tension de sortie de réseaux électriques embarqués. La première partie de ce manuscrit étudie en détail la modélisation et le comportement de ces systèmes. Sous certaines conditions de fonctionnement, ils peuvent être représentés comme des modèles Linéaires à Paramètres Variants (LPV). Il est ainsi possible de prouver la stabilité et la performance des systèmes avec des outils théoriques bien établis. Ces systèmes présentent des dynamiques très riches, et il est, dans certaines situations, très difficile de les commander. Une analyse dynamique est présentée, et une classification des systèmes en fonction des charges connectées est proposée. A partir de cette classification, il est possible de décider quelle stratégie de commande doit être utilisée pour les piloter. La deuxième partie de ce manuscrit apporte une contribution à la commande des réseaux électriques embarqués. Classiquement, une approche basée sur le ``rejet de perturbation'' est utilisée : le système subit l'impact de charge et le régulateur de tension doit ramener cette grandeur à sa valeur nominale. Notre stratégie est différente : avant que l'impact ne se produise, le système est amené à un état plus favorable à celui-ci. De cette façon la commande utilisée au moment de l'impact permet alors de mieux l'atténuer. Comme le modèle du système varie pour chaque charge différente, les gains des régulateurs que nous avons développés s'adaptent à cette variation. De cette façon, pour toute charge, un régulateur optimal est utilisé pour commander le système. D'où la dénomination de "Commande Anticipative à Gains Programmés".

Dans cette thèse on s'intéresse aux problèmes de commande optimale pour des systèmes affines dans une partie de la commande. Premièrement, on donne une condition nécessaire du second ordre pour le cas ou le système est affine dans toutes les commandes. On a des bornes sur les contrôles et une solution bang-singulière. Une condition suffisante est donnée pour le cas d'une commande scalaire. On propose après un algorithme de tir et une condition suffisante pour sa convergence quadratique locale. Cette condition garantit la stabilité de la solution optimale et implique que l'algorithme converge quadratiquement localement pour le problème perturbé, dans certains cas. On présente des essais numériques qui valident notre méthode. Ensuite, on étudie un système affine dans une partie des commandes. On obtient des conditions nécessaire et suffisante du second ordre. Ensuite, on propose un algorithme de tir et on montre que la condition suffisante mentionnée garantit que cet algorithme converge quadratiquement localement. Enfin, on étudie un problème de planification d'une centrale hydro-thermique. On analyse au moyen des conditions nécessaires obtenues par Goh, la possible apparition d'arcs singuliers.

Dans cette thèse, une méthode de résolution de problèmes de commande optimale non linéaires sous contraintes d'état et de commande. Cette méthode repose sur l'adaptation des méthodes de points intérieurs, utilisées en optimisation de dimension finie, à la commande optimale. Un choix constructif de fonctions de pénalisation intérieure est fourni dans cette thèse. On montre que ce choix permet d'approcher la solution d'un problème de commande optimale sous contraintes en résolvant une suite de problèmes de commande optimale sans contraintes dont les solutions sont simplement caractérisées par les conditions de stationnarité du calcul des variations.Deux études dans le domaine de la gestion de l'énergie dans les bâtiments sont ensuite conduites. La première consiste à quantifier la durée maximale d'effacement quotidien du chauffage permettant de maintenir la température intérieure dans une certaine bande de confort, et ce pour différents types de bâtiments classés de mal à bien isolés. La seconde étude se concentre sur les bâtiments BBC et consiste à quantifier la capacité de ces bâtiments à réaliser des effacements électriques complets du chauffage de 6h00 à 22h00 tout en maintenant, là encore, la température intérieure dans une bande de confort. Cette étude est réalisée sur l'ensemble de la saison de chauffe.

Notre motivation est de comprendre la locomotion humaine pour un meilleur contrôle des systèmes virtuels (robots et mannequins). La locomotion humaine a été étudiée depuis longtemps dans des domaines différents. Nous considérons la locomotion comme le déplacement d'un repère attaché au corps humain (direction et orientation) au lieu de la trajectoire articulaire du corps complet. Notre approche est basée sur le fondement calculatoire de la locomotion humaine. Le but est de trouver un modèle qui explique la forme de la locomotion humaine dans l'espace. Pour ce faire, nous étudions tout d'abord le comportement des trajectoires au sol pendant la locomotion intentionnelle. Quand un humain marche, il met un pied devant l'autre et par conséquence, l'orientation du corps suit la direction tangente de la trajectoire. C'est ce qu'on appelle l'hypothèse de comportement nonholonome. Cependant, dans le cas d'un pas de côté, l'orientation du corps n'est plus semblable à la direction de trajectoire, et l'hypothèse n'est plus valable. Le comportement de la locomotion devient holonome. Le but de la thèse est de distinguer ces deux comportements et de les exploiter en neuroscience, robotique et animation graphique. La première partie de la thèse présente une étude qui permet de déterminer des configurations de comportement holonome par un protocole expérimental et par une fonction qui segmente les comportements nonholonomes et holonomes d'une trajectoire. Dans la deuxième partie, nous établissons un modèle unifiant comportements nonholonomes et holonomes. Ce modèle combine trois vitesses générant la locomotion humaine : tangentielle, angulaire et latérale. Par une approche de commande optimale inverse nous proposons une fonction multi-objectifs qui optimise des trajectoires calculées pour les rendre proches des trajectoires humaines naturelles. La dernière partie est l'application qui utilise les deux comportements pour synthétiser des locomotions humaines dans un environnement d'an imation graphique. Chaque locomotion est caractérisée par trois vitesses et est donc considérée comme un point dans l'espace de commande 3D (de trois vitesses). Nous avons collecté une librairie qui contient des locomotions de vitesses différentes - des points dans l'espace 3D. Ces points sont structurés en un nuage de tétraèdres. Quand une vitesse désirée est donnée, elle est projetée dans l'espace 3D et on trouve le tétraèdre qui la contient. La nouvelle animation est interpolée par quatre locomotions correspondant aux quatre sommets du tétraèdre. On expose plusieurs scénarios d'animations sur un personnage virtuel.

Le cancer est une maladie caractérisée par la croissance incontrôlée des cellules. Le nombre de personnes atteintes par le carcinome hépatocellulaire (CHC) est en progression croissante. Les traitements utilisés jusqu'à présent par les médecins tels que la chimioembolisation transartérielle (TACE) et la radioembolisation transartérielle (TARE) présentent des limitations à cause des effets secondaires causés sur les tissus sains. En vue d'atteindre un meilleur contrôle tumoral avec le minimum de complications des tissus sains, les approches microrobotiques peuvent apporter des solutions au problème du ciblage thérapeutique. Une solution consiste à contrôler la direction de transporteurs thérapeutiques (bolus magnétiques), composés de microparticules magnétiques et d’agents anti-cancéreux, à l’intérieur des vaisseaux sanguins vers la zone tumorale. Des champs magnétiques extérieurs sont alors utilisés pour propulser, guider et naviguer une flottille de bolus magnétiques au travers du réseau artériel. Cette thèse propose donc une méthodologie globale à mettre en place afin de rendre les procédures locorégionales transartérielles robotisées plus ciblées et plus localisées. Dans un premier temps, nous avons optimisé la quantité de médicament à injecter sous forme de bolus magnétiques. Ensuite, nous nous sommes intéressés à l'optimisation de la structure du bolus en vue d’assurer d’une part, la navigation optimale à l’intérieur des vaisseaux et d’autre part, d’offrir la possibilité d’embarquer une quantité d’agents thérapeutiques plus importante. La navigation des bolus délivrés par un cathéter vers la zone ciblée (tumeur) est assurée grâce au développement et à l'implémentation d’une loi de commande optimale. La validation de l'injection et de la navigation des bolus magnétiques a été réalisée sur une plateforme magnétique robotisée développée dans le cadre de cette thèse. / Cancer is a disease characterized by an uncontrolled cell growth. The number of people with hepatocellular carcinoma (HCC) is growing constantly. The treatments used by doctors until nowadays such as transarterial chemoembolization (TACE) and transarterial Radioembolization (TARE) have limitations because of the side effects caused to healthy tissues. In order to achieve best tumor control with minimal complications on healthy tissues, microrobotics technology can provide solutions to the problem of therapeutic targeting. One solution is to control the direction of the therapeutic carriers (magnetic bolus), composed of magnetic microparticles and anti-cancer agents, inside the blood vessels to the tumor area (target). External magnetic fields are then used to propel, steer and navigate a magnetic bolus fleet through the arterial system. This thesis offers a global methodology to implement in order to make the robotic transarterial locoregional procedures more targeted and localized. First, we have optimized the amount of drug to be injected as magnetic boluses. Then, we have carried out the optimization of the magnetic bolus structure in order to ensure firstly, the optimal navigation inside the vessels and secondly, to offer the possibility of carrying a larger amount of therapeutic agents. The navigation of boluses delivered by the catheter to the target area (tumor) is ensured through the development and implementation of the optimal control law. The validation of the injection and navigation magnetic bolus are performed on a magnetic microrobotic platform.

Stucture simple, faible coût, grand espace de travail et technologie mature, ces avantages font que les manipulateurs sériels sont largement utilisés dans de nombreux domaines industriels. Avec le développement rapide de l'industrie et les diverses applications des manipulateurs sériels, de nouvelles exigences strictes sont souhaitées, telles que la stabilité robuste, la grande précision de positionnement et la cadence élevée.Un des moyens efficaces pour améliorer les performances mentionnées est la conception de manipulateurs sériels à découplage dynamique. Dans ce cadre, l'objectif de cette thèse est de valider une structure simple permettant de réaliser un découplage dynamique complet des manipulateurs sériels en tenant compte de la charge embarquée.Le chapitre 1 présente les solutions connues et décrit les inconvénients liés aux différentes techniques permettant une simplification de la dynamique des manipulateurs. L'étude de la bibliographie a permis d'affiner les objectifs à atteindre. Le chapitre 2 traite de la conception de manipulateurs sériels réglables à dynamique linéarisée et découplée. Sans la charge embarquée, la méthode développée réalise le découplage dynamique par rotation inverse des bras et par redistribution optimale des masses. La charge embarquée qui conduit à une perturbation au niveau des équations dynamiques dedécouplage est compensée par la commande.Le chapitre 3 envisage un nouveau concept de découplage dynamique qui consiste à relier aux bras initiaux d'un manipulateur sériel, deux bras additionnels pour réaliser un mécanisme Scott-Russell. Les mouvements opposés des bras du mécanisme Scott-Russell associés à une redistribution optimale des masses permettent de supprimer les termes non linéaires des équations dynamiques du manipulateur. Le modèle linéaire et découplé ainsi obtenu permet de tenir compte de la charge embarquée.Dans le chapitre 4, on considère les propriétés de robustesse (incertitudes paramétriques) de quatre modèles de manipulateurs sériels (un manipulateur couplé, un manipulateur découplé par la commande et les deux manipulateurs découplés qui sont issus des chapitres 2 et 3). Les études qualitatives sont effectuées par simulation en utilisant la même loi de commande optimale et la même trajectoire de référence. Les résultats des simulations permettentde conclure sur la robustesse des manipulateurs décrits aux chapitres 2 et 3 par rapport au manipulateur couplé et au manipulateur découplé par la commande.La méthodologie de conception et les techniques de commande proposées sont illustrées par des simulations réalisées à l'aide des logiciels ADAMS et MATLAB. Les simulations ont confirmé l'efficacité des approches développées. / Simple structure, low cost, large workspace and mature technology, these advantages make the serial manipulators are widely used in many industrialfields. With the rapid development of industry and various applications of serial manipulators, new strict requirements are proposed, such as highstability, high positioning accuracy and high speed operation.One of the efficient ways to improve the mentioned performances is the design of manipulators with dynamic decoupling. Therefore, the goal in thisthesis is to find simple structure pennitting to carry out complete dynamic decoupling of serial manipulators taking into account the changing payload.The review, given in Chapter I, sunmarizes the known solutions and discloses the drawbacks of different techniques permitting a simplification of thedynamics of manipulators. lt allows an identification of objectives that are of interest and should be studied \within the framework of this thesis.Chapter 2 deals with the design of adjustable serial manipulators with linearized and decoupled dynamics. Without payload, the developed methodaccomplishes the dynamic decoupling via opposite rotation of links and optimal redistribution of masses. The payload which leads to the perturbation ofThe dynamic decoupling equations is compensated by the optimal control technique.Chapter 3 deals with a new dynamic decoupling concept, which involves connecting to a serial manipulator a two-link group forming a Scott-Russell mechanism combined with optimal redistribution of masses allows the cancellation of the coefficients of nonlinear terms in the manipulator's dynamic equations. Then, by using the control, the dynamicdecoupling taking into account the changing payload is achieved.In chapter 4, robustness properties (parametric uncertainties) of four various models of serial manipulators (one coupled manipulator, one decoupled manipulator by feedback linearization and the two decoupled manipulators that modeled in chapters 2 and 3) are considered. The given comparison performed via simutations is achieved with the same optimal control law and the same reference trajectory. Simulation results allow one to derive robustness assessments of manipulators described in chapters 2 and 3.The suggested design methodology and control techniques are illustrated by simulations carried out using ADAMS and MATLAB software, which have confirmed the efficiency of the developed approaches.

Les écoulements impactants auto-oscillants sont sources de bruit intenses dans diverses applications. La cavité représente une configuration privilégiée pour les étudier. L’objectif de la thèse est de fournir une solution concrète aux problèmes d’oscillation de la couche cisaillée de l’écoulement de cavité, en exploitant des outils issus de la communauté des automaticiens. Un rappel des travaux menés ces dernières années est présenté ainsi que les difficultés rencontrées pour le contrôle d’un tel dispositif. La principale source de complexité est les équations de Navier- Stockes qui régissent sont fonctionnement. Il est actuellement impossible d’exploiter directement ce type d’équations dans la synthèse de correcteur. Outre cette difficulté, les oscillations de la couche limite sont qualitativement induites par une instabilité non-linéaire soumise à saturation. Par conséquent, l’identification empirique basée sur la réponse fréquentielle ne peut être appliquée, sauf si un correcteur stabilisant le point fixe est trouvé, de manière à préserver le principe de superposition lors de l’identification. Ainsi, comme première solution, une commande empirique en boucle fermée est obtenue à partir de la pression retardée. Un travail sur un choix optimal des paramètres est réalisé permettant ainsi l’élimination des oscillations de la couche cisaillée. De plus, ce contrôle se montre robuste face aux changements de configuration de cavité. Une variante de cette loi de commande aboutit à un signal de contrôle évanescent, induisant ainsi un gain considérable en terme de consommation énergétique. Malheureusement, une telle loi commande ne permet pas d’identifier, ni d’expliquer les phénomènes dynamiques associés à un tel bouclage. Par conséquent, une approche linéaire est utilisée pour identifier les dynamiques de l’écoulement de cavité. La méthode d’identification ERA (Eigensystem Realization Algorithm) en boucle fermée est utilisée pour extraire cette dynamique. Les modèles identifiés nous informent sur les modes responsables de l’apparition des oscillations de la couche cisaillée. En outre, nous avons une information précise sur le phénomène de commutation de mode observé dans plusieurs régimes d’écoulement. Le modèle permet d’extraire les modes instables de la dynamique linéaire de la cavité et les associer aux oscillations du régime saturé. Pour valider la procédure linéaire, un correcteur optimal a été synthétisé à partir du modèle identifié. Cette commande se révèle robuste aux variations paramétriques du modèle. / The cavity flow represents a preferred configuration to study the self-oscillating impingement flows, which constitute an intense noise source in various applications (rail, aviation, etc.). Several studies have been conducted in order to mitigate these oscillations by open or closed-loop control strategies. A reminder of undertaken studies in recent years is presented as well as the encountered difficulties to control of such a device. The main difficulty to control such flows is that their state results from the nonlinear saturation of instabilities by developing on the steady base flow (stable limit cycle against unstable fixed point). The identification of a model is not easy in such a situation. Indeed, the empirical identification based on the frequency response can't be applied, unless a controller stabilizing the unstable fixed point is previously given, in order to preserve the superposition principle during the identification.Our study is mainly based on a closed-loop control because it brings a better energetic gain. We show that a simple time-delayed feedback control is able to stabilize the base flow and robust to changes in cavity configuration. To extract the responsible dynamics of the oscillations appearance in the shear layer, ERA (Eigensystem Realization Algorithm) identification technique is used in closed-loop. The model identifies the unstable modes of the linear dynamics of the cavity as those actually responsible for the oscillation frequencies of the saturated regime. An optimal controller was synthesized from this dynamics. This controller reveals robust to parametric variations of the model.

Cette thèse est divisée en deux parties. Dans la première partie on s'intéresse aux problèmes de commande optimale déterministes et on étudie des approximations intérieures pour deux problèmes modèles avec des contraintes de non-négativité sur la commande. Le premier modèle est un problème de commande optimale dont la fonction de coût est quadratique et dont la dynamique est régie par une équation différentielle ordinaire. Pour une classe générale de fonctions de pénalité intérieure, on montre comment calculer le terme principal du développement ponctuel de l'état et de l'état adjoint. Notre argument principal se fonde sur le fait suivant: si la commande optimale pour le problème initial satisfait les conditions de complémentarité stricte pour le Hamiltonien sauf en un nombre fini d'instants, les estimations pour le problème de commande optimale pénalisé peuvent être obtenues à partir des estimations pour un problème stationnaire associé. Nos résultats fournissent plusieurs types de mesures de qualité de l'approximation pour la technique de pénalisation: estimations des erreurs de la commande , estimations des erreurs pour l'état et l'état adjoint et aussi estimations de erreurs pour la fonction valeur. Le second modèle est le problème de commande optimale d'une équation semi-linéaire elliptique avec conditions de Dirichlet homogène au bord, la commande étant distribuée sur le domaine et positive. L'approche est la même que pour le premier modèle, c'est-à-dire que l'on considère une famille de problèmes pénalisés, dont la solution définit une trajectoire centrale qui converge vers la solution du problème initial. De cette manière, on peut étendre les résultats, obtenus dans le cadre d'équations différentielles, au contrôle optimal d'équations elliptiques semi-linéaires. Dans la deuxième partie on s'intéresse aux problèmes de commande optimale stochastiques. Dans un premier temps, on considère un problème linéaire quadratique stochastique avec des contraintes de non-negativité sur la commande et on étend les estimations d'erreur pour l'approximation par pénalisation logarithmique. La preuve s'appuie sur le principe de Pontriaguine stochastique et un argument de dualité. Ensuite, on considère un problème de commande stochastique général avec des contraintes convexes sur la commande. L'approche dite variationnelle nous permet d'obtenir un développement au premier et au second ordre pour l'état et la fonction de coût, autour d'un minimum local. Avec ces développements on peut montrer des conditions générales d'optimalité de premier ordre et, sous une hypothèse géométrique sur l'ensemble des contraintes, des conditions nécessaires du second ordre sont aussi établies.