Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la commande en couple de manipulateurs redondants.Nous nous intéressons dans ce cadre à deux problématiques. En premier lieu, nous considérons le cas d’imposition d’une contrainte cinématique de point de passage, dite contrainte du RCM, de l’organe terminal (OT) du robot. Nous proposons alors deux approches pour la gestion de cette contrainte. Dans la première approche, la contrainte est garantie dans l’espace nul d’une tâche principale définie en coordonnées de position de l’OT. Cette méthode exploite une définition explicite de la dynamique de l’espace nul et confère un niveau de priorité secondaire à la contrainte. La seconde approche permet de définir la contrainte du RCM comme tâche principale, en lui assignant le niveau de priorité supérieur ou un niveau de priorité défini par le besoin de l’application. Nous proposons pour cela une nouvelle définition de la cinématique du RCM.En second lieu, nous traitons la question des contacts entre le corps du robot et son environnement (ex. l’humain)pendant que l’OT exécute sa tâche « globale ». Nous proposons pour cela une stratégie de compliance appliquée dans l’espace nul du robot afin de préserver la tâche globale lors des contacts. Cette stratégie estdéfinie pour des bras anthropomorphes à 7-DDL, et est formulée en coordonnées de l’angle de bras, paramètre représentant le degré de redondance du robot. Cela permet de définir un intervalle admissible de mouvement de l’angle de bras. Lorsque les limites de cet intervalle sont atteintes, une loi de compliance de type ressort amortisseur oblige le robot à rester dans l’intervalle, malgré les forces externes exercées.Nous évoquons, tout au long de cette thèse, l’application de chirurgie mini-invasive assistée par robot pour illustrer l’utilité de nos contributions. / The work developped in this PhD thesis concerns the control of redundant torque-controlled robots,dealing with two main issues. Firstly, we study the presence of a RCM constraint imposed to the end-effector. We propose two control approaches to guarantee this kinematic constraint. In the first one, the constraint is performed in the null-space of a main task defined in cartesian coordinates(position). An explicit definition of the null-space dynamics is applied on this control approach, and provides a secondary priority order to the RCM constraint. The second approach allows to define the constraint as the main task, obtaining the highest priority level, or in any desired priority level,according to the needs of the application. Therefore, we propose a new kinematic formulation of the RCM constraint.Secondly, we study the physical interaction between the robot’s body and its environment (e.g. human) during the cartesian global task execution. A null-space compliance control strategy is then proposed in order to preserve the global task when the contacts occur. This strategy, defined for anthropomorphic 7-DOF robots, is formulated in swivel angle coordinates, which is a direct representation of the robot’s null-space. A desired feasible range for the swivel angle values is defined by the user, and a spring-damping compliance law is used to constraint the robot to remain within the feasible angle values range, despite the external forces applied to the robot’s body. Robot-assisted minimally invasive surgery has been used throughout this thesis as an example of application, allowing to demonstrate the usefulness of our contributions.

La popularité des robots parallèles s’est considérablement accrue lors des dernières décennies. Cette popularité a été stimulée par les nombreux avantages qu’offrent les robots parallèles par rapport à leurs homologues traditionnels sériels concernant certaines applications industrielles nécessitant de fortes accélérations et une bonne précision. Toutefois, afin d'exploiter pleinement leur potentiel et de tirer le meilleur de leurs capacités, un long chemin reste encore à parcourir. En plus de la conception mécanique, l'étalonnage et l'optimisation de la structure, le développement d’une commande efficace joue un rôle primordial dans l’amélioration de la performance globale des robots parallèles. Cependant, ces derniers sont connus par leur dynamique fortement non linéaire qui s’accroît considérablement lorsque de fortes accélérations sont sollicitées conduisant à des vibrations mécaniques. En outre, les incertitudes sont abondantes dans ces systèmes en raison des hypothèses simplificatrices de modélisation, l'usure des composants du robot et les variations de l'environnement. De plus, leur dynamique couplée et la redondance d'actionnement dans certains mécanismes donnent lieu à des problèmes de commande complexes et difficiles à gérer. Par conséquent, les stratégies de commande développées pour les robots parallèles devraient tenir compte de tous les enjeux et défis mentionnées précédemment. L'objectif principal de cette thèse réside dans la proposition de nouvelles stratégies de commande adaptatives pour les robots parallèles tenant compte de leurs caractéristiques et particularités afin d'améliorer leurs performances de suivi de trajectoires. En outre, les stratégies de commande développées devraient être validées d'abord en simulation, puis à travers des expérimentations temps-réel sur les robots parallèles à notre disposition. Dans ce contexte, trois contributions majeures sont proposées dans le cadre de cette thèse. Tout d'abord, une nouvelle classe de contrôleurs adaptatifs avec des gains de retour non linéaires temps-variant est proposée. La deuxième contribution réside dans le développement d’une version adaptative de la commande robuste RISE. Pour la troisième contribution, la stratégie de commande adaptative L1, récemment développée, est appliquée pour la première fois sur un robot parallèle, suivie de deux nouvelles extensions basées-modèle. Des simulations numériques ainsi que des expérimentations temps-réel sur différents prototypes de robots parallèles sont présentées et discutées. Tous les contrôleurs proposés sont validés pour différents scénarios permettant ainsi de montrer leur pertinence et efficacité. / Parallel Kinematic Manipulators (PKMs) have gained an increased popularity in the last few decades. This interest has been stimulated by the significant advantages of PKMs compared to their traditional serial counterparts, with respect to some specific industrial tasks requiring high accelerations and accuracy. However, to fully exploit their potential and to get the most of their capabilities, a long path is still to be covered. In addition to mechanical design, calibration and optimization of the structure, efficient control development plays an essential role in improving the overall performance of PKMs. However, PKMs are known for their highly nonlinear dynamics which increases considerably when operating at high accelerations leading to mechanical vibrations. Moreover, uncertainties are abundant in such systems due to model simplifications, the wear of the components of the robot and the variations of the environment. Furthermore, their coupled dynamics and actuation redundancy in some mechanisms give rise to complex and challenging control issues. Consequently, the developed control schemes should take into account all the previously mentioned issues and challenges. The main goal of this thesis lies in the proposal of new adaptive control schemes for PKMs while considering their characteristics and particularities in order to improve their tracking capabilities. Moreover, the developed control strategies should be first validated through numerical simulations, then through real-time experiments on available PKMs. Within this context, three main contributions are proposed in this thesis. First, a new class of adaptive controllers with nonlinear time-varying feedback gains is proposed. The second contribution lies in an adaptive-based extended version of RISE robust feedback control strategy. For the third contribution, the recently developed L1 adaptive control strategy is applied for the first time on a PKM, followed by two novel model-based extensions. Numerical simulations as well as real-time experiments on various PKMs prototypes are provided and discussed. All the proposed controllers are validated for different operating conditions in order to show their relevance and efficiency.

Les travaux entrepris au cours de cette thèse ont permis de concevoir des stratégies de commande de systèmes multivariables (outils d’analyse et méthodes de synthèse) en vue de leur application au développement de lois de commande d’un turbopropulseur.D’un point de vue fonctionnel, un turbopropulseur est un système multivariable comprenant deux grandeurs de commande : le débit carburant à injecter dans la chambre de combustion et le pas de l’hélice, ainsi que deux grandeurs de sortie : la puissance délivrée par l’hélice et sa vitesse de rotation. Ces variables sont fortement couplées, ce qui signifie que des variations de l’une entraînent des écarts sur l’autre. L’objectif de ces travaux est de synthétiser des lois de commande facilement ajustables, permettant de respecter des spécifications classiques en Automatique (temps de réponse, dépassement, erreur statique) et de réduire les couplages entre les différentes grandeurs régulées. Dans ce contexte industriel, les approches décentralisées sans et avec découplage sont envisagées. La stratégie décentralisée pure met en œuvre un correcteur diagonal, ce qui revient à asservir un système par plusieurs boucles monovariables indépendantes. Bien que relativement facile à synthétiser et à implanter, la stratégie décentralisée ne permet pas d’atteindre les performances souhaitées en présence d’interactions importantes. Dans ce cas, il est possible de l’associer à des compensateurs permettant de diminuer les interactions.Une part importante de ces travaux de recherche concerne le développement méthodologique de ces stratégies. La définition d’une stratégie de commande est la première étape. Pour cela, la quantification du niveau d’interaction dans un système se révèle importante. Celle-ci peut être réalisée à l’aide de différentes méthodes et indicateurs qui s’appuient sur les réponses fréquentielles ou temporelles du système, ou encore sur les grammiens de commandabilité et d’observabilité. Une procédure systématique d’analyse des interactions a été proposée afin de déterminer la stratégie de commande la plus adaptée en fonction des interactions. Dans le cas où l’analyse des interactions conduit à adopter une stratégie décentralisée, les régulateurs peuvent être synthétisés à l’aide de méthodes monoboucles ou multiboucles. Les premières ne prennent pas en compte les interactions tandis que les secondes, plus élaborées mais également plus complexes à mettre en œuvre, permettent de les prendre spécifiquement en compte. A la suite de l’analyse de ces méthodes, une étude récapitulative présentant les méthodes préconisées en fonction du procédé et des objectifs, est finalement proposée. Dans le cas où l’analyse des interactions montre un niveau de couplage trop important, il est possible d’associer des compensateurs à la régulation décentralisée. Les compensateurs ont pour but de découpler les commandes vis-à-vis des sorties du procédé. Différentes méthodes et structures de découplage ont été étudiées et comparées. Une procédure de découplage, composée des méthodes considérées comme les plus efficaces a finalement été mise en place. / In this Ph.D. thesis, we explore the different steps of designing a decentralized control applied on a turboprop engine.From the control point of view, the turboprop engine is a TITO (Two-Input Two-Output) process. The fuel flow is used to control the shaft power while the blade pitch angle is used to control the propeller speed. The turboprop presents important couplings between manipulated variables and controlled variables. When the fuel flow changes, the propeller speed is impacted. Similarly, when controlling the blade pitch angle to change the propeller speed to another level, the shaft power is affected, particularly during the transient states. The main objective of this research thesis is to design control laws for the turboprop. Beside technical specifications like response time and overshoot, couplings between loops have to be reduced as much as possible and control laws have to be robust to model uncertainties. For this industrial environment a decentralized strategy (with or without compensators) has been chosen. The decentralized strategy consists in designing monoloop controllers in order to drive the multivariable system. The decentralized strategy presents important benefits, such as flexibility as well as design simplicity, but is not efficient in presence of heavy couplings. In that case, it is possible to use compensators that reduce existing process interactions before designing the monoloop controllers.An important part of this work focuses on the development of these different strategies.The first step is the choice of the control structure, which strongly depends on the level of interaction. Despite the availability of different metrics - based on frequential responses, temporal responses, or Gramian – it is not easy to know which one is the most appropriate. Based on the analysis of couplings with different metrics, a procedure is proposed in order to choose the structure and the controllers design method.If the coupling analysis leads to adopt a decentralized strategy, the controllers can be designed using monoloop or multiloop methods. The first ones are simple but do not take couplings into account, whereas multiloop methods take specifically couplings into account but are more complicated. These tuning methods have been studied and recommendations have finally been made to choose the most appropriated method depending on the process and the requirements.In cases where the couplings analysis reveals a high couplings level, compensators can be associated with the decentralized strategy. The objectives of the compensators are to reduce couplings in the system and to facilitate the design of monoloop controllers. Several decoupling structures have been studied and compared. A decoupling procedure has then been proposed.These methodological studies have been applied to the turboprop engine. Following the coupling analysis, a decentralized strategy with decoupling has been chosen. After following the decoupling procedure and trying different solutions, the inverted decoupler has been adopted. Considering the dynamics of the system and the total decoupling provided by the inverted decoupler, PI controllers have been used and a monoloop tuning method has been chosen. In order to guarantee the desired performances over the whole flight envelope, control laws have been interpolated, using a gain scheduling technique. The structured singular value approach has then been used to demonstrate the robustness of the control laws with model uncertainties. Control laws have finally been implemented in the control software and simulation results have illustrated their good performances.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'élaboration d'une stratégie complète d'identification et de commande neuronale d'un filtre actif parallèle (FAP). L'objectif visé est l'amélioration des performances par rapport aux systèmes classiques de dépollution des installations électriques basse tension. Basée sur l'utilisation des techniques neuromimétiques, notre approche de compensation des harmoniques se fait en trois étapes. Les deux premières étapes identifient respectivement les composantes de la tension et les courants harmoniques à l'aide de réseaux de neurones du type Adaline. La troisième étape injecte les courants harmoniques dans le réseau électrique par un module de commande à base de réseaux de neurones multicouches. Plusieurs architectures neuronales ont été développées et comparées pour chacune des étapes. La structure proposée s'adapte automatiquement aux variations de la charge du réseau et donc aux fluctuations du contenu harmonique des perturbations. Elle permet également la compensation sélective des harmoniques et la correction du facteur de charge. Finalement, ces stratégies ont été validées sur un banc expérimental et leur aptitude à l'intégration matérielle a été testée en simulation.

Cette thèse propose une méthodologie de commande d'un bioréacteur fed-batch de culture E. coli. La stratégie consiste à maximiser la croissance de la bactérie, c'est-à-dire à maintenir le bioréacteur à un point de fonctionnement « optimal », caractérisé par la frontière entre les régimes oxydatif et oxydo-fermentatif. La démarche proposée comprend une première étape de modélisation mathématique et de détermination d'un modèle paramétrique simplifié. Une deuxième phase consiste en une identification paramétrique du modèle en se basant sur l'analyse de sensibilité du modèle vis-à-vis de ses paramètres. Un profil optimal d'alimentation est ensuite élaboré pour la maximisation de la croissance de la biomasse. A partir de toutes ces données, la synthèse et l'application de la commande prédictive non-linéaire au bioprocédé E. coli sont mises en œuvre. L'objectif est de réguler la concentration en acétate à une valeur faible donnée, tout en forçant le débit d'alimentation à suivre un profil de référence. La stratégie de commande proposée se base sur la transformation du problème de commande prédictive non-linéaire classique en un problème de programmation non-linéaire non contraint, résolu par des techniques de CVP. Pour une meilleure robustesse de la structure proposée, la différence entre le système et le modèle est explicitement incluse dans l'algorithme. Enfin, une étude de robustesse par une approche statistique de type Monte Carlo permet de juger de l'applicabilité de la loi de commande proposée sur le système réel. Ce travail constitue une étude préliminaire en vue d'une implantation de cette loi de commande à un bioréacteur à l'échelle du laboratoire ou industrielle

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 consacrée à l'identification et à la commande de machines parallèles (robot H4 du LIRMM). Les robots parallèles possèdent une dynamique élevée ce qui impose de lois de commande capables de prendre en compte cette dynamique. Ces lois sont bassées sur le modèle dynamique du robot et les paramètres dynamiques doivent être estimés d'abord. Nous avons proposé deux approches pour identifier ces paramètres : une première approche par moindres carrés pondérés et une deuxième approche dans un contexte à erreur bornée qui fourni un ensemble solution garantie. Dans ce dernier cas deux méthodologies sont mises en œuvre : estimation ellipsoïdale et estimation par intervalles. Une analyse expérimentale comparative des trois méthodes pour l'estimation des 14 paramètres du robot est alors presentée. Les paramètres sont alors utilisés pour la synthèse d'une commande prédictive fonctionnelle référencée sur un modèle linéaire. Une méthodologie originale a été développée : d´abord l'identification du modèle dynamique et linéarisation du système, puis l'identification du modèle interne pour la commande prédictive et synthèse de cette commande avec pré-bouclage en vitesse afin de stabiliser le processus linéarisé. Cette commande est comparée à deux stratégies classiques utilisées en robotique : la commande PID et la commande dynamique. Les performances de ces commandes ont été testées lors de mouvements simples et complexes. La stratégie prédictive fournit de meilleures réponses en termes de dynamique, précision et robustesse.

Ce mémoire a pour objet la modélisation et la commande d'un moteur à allumage commandé. Le premier chapitre propose alors un état de l'art sur la modélisation, l'estimation et la commande dans ces derniers. Le second chapitre s'intéresse à la commande de l'admission d'air. Deux commandes y sont développées : la première est basée sur une commande linéarisante et la seconde fait appel aux outils de la commande basée sur les modèles flous de type Takagi-Sugeno. Parmi les modèles considérés, certains sont non linéaires et présentent des incertitudes de modélisation, et d'autres sont à retards variables. Le troisième chapitre présente alors un certain nombre de développements théoriques concernant deux classes de modèles flous : ceux à retards variables sur l'état, et ceux avec incertitudes. Des conditions de stabilisation sans et avec un observateur d'état sont également données. Le quatrième chapitre traite alors de la commande et de l'observation par retour d'état basées sur des modèles flous de type Takagi-Sugeno et/ou par modes glissants, et de leur validation sur le modèle développé. Une régulation de richesse, une commande robuste du couple moteur moyen, un observateur à entrées inconnues du couple instantané, et des essais de commande globale sont présentés.

On introduit dans cette thèse le concept nouveau de platitude. Un système est différentiellement plat (ou plus simplement plat) si son comportement peut être complètement décrit par un ensemble de fonctions différentiellement indépendantes dépendant des variables du système et de leurs dérivées : toute trajectoire du système peut s'obtenir à partir de cet ensemble de fonctions sans intégrer d'équations différentielles. La platitude se définit par l'intermédiaire d'une relation d'équivalence. Deux systèmes S et T sont équivalents s'il existe une correspondance bijective entre les trajectoires de S et celles de T. Par définition, un système est plat s'il est équivalent à un système "sans dynamique", c'est à dire un ensemble de fonctions arbitraires.

Les travaux développés dans ce mémoire de thèse portent sur la contribution à une méthodologie de synthèse de lois de commande tolérante aux fautes garantissant la fiabilité des systèmes. Cette nouvelle méthodologie nécessite l'adaptation des différents outils de caractérisation de la fiabilité avec la théorie de la commande. L'intégration explicite de l'aspect charge dans les lois modélisant la fiabilité en ligne est considérée. Une première partie des travaux est consacrée à la reconfigurabilité des systèmes tolérants aux fautes. Une analyse de reconfigurabilité en présence de défauts basée sur la consommation d'énergie ainsi que des objectifs liés à la fiabilité globale du système sont proposés. Un indice de reconfigurabilité est proposé définissant les limites fonctionnelles d'un système commandé en ligne en fonction de la sévérité des défauts et de la dégradation des actionneurs en terme de fiabilité. Dans la deuxième partie, le problème d'allocation et ré-allocation de la commande est considéré. Des solutions sont développées tenant compte de l'état de dégradation et du vieillissement des actionneurs. Les entrées de commande sont attribuées au système en tenant compte de la fiabilité des actionneurs ainsi que les éventuels défauts. Des indicateurs de fiabilité sont proposés et intégrés dans la solution du problème d'allocation et ré-allocation de la commande. La dernière partie est entièrement consacrée à la synthèse d'une loi de commande tolérante aux fautes garantissant la fiabilité globale du système. Une procédure d'analyse de fiabilité des systèmes commandés en ligne est proposée en se basant sur une étude de sensibilité et de criticité des actionneurs. Ainsi, une méthode de commande tolérante aux fautes en tenant compte de la criticité des actionneurs est synthétisée sous une formulation LMI.