Cette thèse présente une analyse de la consommation d'énergie des systèmes de contrôlecommande électriques des machines automatisées en vue de réduire leur consommation d'énergie. Il est notamment présenté les notions associées aux systèmes de contrôle-commande et il est développé des méthodes et un simulateur de consommation d'énergie destiné à l'analyse de la consommation d'énergie. A partir de ceci, il est réalisé une analyse selon 3 axes : consommation des composants de contrôlecommande pris individuellement, consommation des systèmes de contrôle-commande selon le type de machine et l'assemblage des composants et enfin, consommation dans le temps selon les modes de marche. Ces travaux mettent en évidence que la consommation des systèmes de contrôle-commande est souvent faible comparée à celle des actionneurs, mais qu'il est tout de même possible de réduire d'un facteur 2 la consommation d'énergie.

Les Véhicules Etroits et Inclinables (VEI) sont la convergence d’une voiture et d’un motocycle. Un mètre de largeur seulement suffit pour transporter une ou deux personnes en Tandem. Les VEI sont conçus dans le but de résoudre partiellement les problèmes de trafic routier, de minimiser la consommation énergétique et l’émission de polluants. De par leurs dimensions(ratio hauteur/largeur), ces véhicules doivent s’incliner en virage pour rester stable en compensant l’effet de l’accélération latérale. Cette inclinaison doit dans certains cas être automatique : elle peut être réalisée à l’aide d’un couple d’inclinaison généré par un actionneur dédié (système DTC), soit encore en modulant l’angle de braquage des roues (Système STC). Nous avons proposé dans ce mémoire une méthodologie de synthèse d’un régulateur structuré minimisant la norme H2 d’un problème bien posé au bénéfice d’une régulation optimisée de l’accélération latérale, considérant tour à tour les systèmes DTC et STC. Les régulateurs proposés sont paramétrés par la vitesse longitudinale et s’avèrent performants et robustes, et les moyens de réglages proposés permettent d’étudier l’intérêt relatif d’une solution DTC pure ou mixte DTC/STC, permettant de supporter les développements futurs sur le sujet. L’originalité des solutions proposées en regard des études rencontrées dans la littérature porte en particulier sur le fait de choisir de réguler directement l’accélération latérale perçue (plutôt que l’angle d’inclinaison), en anticipant la prise de virage par la prise en compte des angles et vitesse de braquage. L’optimisation de la régulation permet de réduire de manière importante le couple d’inclinaison requis, et l’accélération latérale subie par les passagers est faible. Tous les développements proposés s’appuient naturellement en amont sur un travail de modélisation (recherche du modèle juste nécessaire), et de bibliographie conséquent. Le modèle retenu comprend 5 degrés de libertés. Nous avons démontré qu’il possédait la propriété intéressante d’être plat, et avons utilisé cette propriété pour ouvrir des perspectives relatives à la conception d’un régulateur non-linéaire robuste, susceptible apriori d’accroître les performances dans le cas de « grands mouvements ». Au contraire de ce qui existe dans la littérature,le régulateur multivariable conçu pour le système SDTC permet le contrôle coordonné des actions sur les systèmes STC et DTC. / Narrow Tilting Vehicles (NTV) are the convergence of a car and a motorcycle. One meter wide, these vehicles are designed for one or two people sitting the one in front the other. The idea behind the conception of NTV is the minimization of traffic congestion, energy consumption and pollutant emission. But because of their dimensions, these cars would have to lean into corners in order to compensate for the lateral acceleration and maintain their stability. The tilting should be automatic, and can be achieved by a tilting torque generated by a dedicated tilting actuator (DTC) or by modifying the steering angle (STC) or both (SDTC). In this thesis, we first propose a methodology for the design of an output feedback structured regulator, minimizing the H2 norm of a well-posed problem, built to optimize the lateral acceleration of the NTV, considering DTC and SDTC systems.The designed controllers, with the longitudinal velocity as a parameter, lead to the minimization of the tilting torque and of the lateral acceleration perceived by the driver, and have good performances as well as good robustness properties. Furthermore, the tuning methodology allows the comparison of a pure DTC solution and a mixed SDTC alternative. Compared to the literature, the originalities in this thesis are the direct control of the measured value of the lateral acceleration (instead of the tilting angle), and the anticipation of the tilt, thanks to the use of the steering angle and angular velocity. Furthermore, the SDTC solution allows to drive both the STC and DTC systems in a coordinated manner. The design strategies are based on a preliminary study of vehicle models, and a design model with 5DoF was developed. We demonstrated that the model has the nice property to be flat, and in the last section of the thesis, used this property to initiate the design of a non-linear robust controller, which can a priori lead to better performances in case of “large motions”.

Dans cette thèse, on s’intéresse à la commande des robots marcheurs. Contrôler ces systèmes naturellement instables, de dynamique non linéaire, non convexe, de grande dimension, et dépendante des contacts représente un défi majeur en robotique mobile. Les approches classiques formulent une chaîne de contrôle formée d’une cascade de sous problèmes tels que la perception, le planning, la commande du corps complet et l’asservissement articulaire. Les contributions rapportées ici ont toutes pour but d’introduire une rétroaction au niveau de la commande du corps complet ou du planning. Précisément, une première contribution technique est la formulation et la comparaison expérimentale de deux estimateurs de la base du robot. Une seconde contribution est l’implémentation d’un contrôleur par dynamique inverse pour contrôler en couple le robot HRP-2. Une variante de ce contrôleur est aussi formulée et testée en simulation pour stabiliser un robot en contact flexible avec son environnement. Finalement un générateur de marche par commande pré-dictive et couplé à un contrôleur corps complet est présenté. / In this thesis, we are interested in the control of walking robots. Controlling these naturally unstable, non-linear, non-convex, large and contact-dependent systems is a major challenge in mobile robotics. Traditional approaches formulate a chain of control formed by a cascade of sub-problems such as perception, planning, full body control and joint servoing. The contributions reported here are all intended to provide state feedback at the whole body control stage or at the planning stage. Specifically, a first technical contribution is the formulation and experimental comparison of two estimators of the robot base. A second contribution is the implementation of a reverse dynamic controller to control the HRP-2 robot in torque. A variant of this controller is also formulated and tested in simulation to stabilize a robot in flexible contact with its environment. Finally, a predictive control operation generator coupled to a whole body controller is presented.

Les principaux objectifs de la thèse sont de proposer des modèles dynamiques pour décrire la circulation routière en adaptant des modèles de la mécanique des fluides et à partir de ces modèles de concevoir et mettre en œuvre des algorithmes de contrôle. La circulation routière est considérée comme un système complexe organisé dans une structure décentralisée à trois niveaux: au plus haut niveau il y a le réseau routier, décomposé, au niveau suivant, en objets routiers (tronçons et intersections), aussi décomposés, au dernier niveau, en éléments (segments) routiers.La thèse est organisée en six chapitres. Le premier chapitre présente les problèmes spécifiques aux réseaux de circulation routière, ainsi que des modèles et des algorithmes de contrôle trouvés dans la littérature. Le deuxième chapitre présente les principaux outils nécessaires pour décrire un modèle de trafic macroscopique et des façons pour représenter le flux de véhicules. Dans le troisième chapitre, des modèles dynamiques sont proposés pour différents segments et tronçons routiers. Le quatrième chapitre est consacré à la conception d’algorithmes pour le contrôle du trafic et l’optimisation de la circulation, y compris une analyse de robustesse pour évaluer la tolérance du système aux non-linéarités du modèle. Le cinquième chapitre présente une stratégie de contrôle pour le réseau routier, en utilisant la représentation par des modèles à compartiments et le concept de dynamique positive. Dans le dernier chapitre de la thèse, les contributions de l’auteur sont mises en évidence et quelques perspectives pour le développement ultérieur de la recherche sont présentées / The main objectives of this thesis are to propose dynamic models in order to describe road traffic by adapting models of fluid mechanics and based on these models to design and implement control algorithms. Road traffic is seen as a complex system organized in a decentralized structure. At the highest level of complexity there is the traffic network, considered as a part of a city’s road infrastructure. At the next level, the network is decomposed into traffic objects represented by road sections (streets) and intersections. At the last level of complexity there are the road segments that are parts of a road section.The thesis is organized into six chapters. The first chapter presents specific problems of road traffic networks, as well as control models and algorithms found in literature. The second chapter presents the main tools needed to describe a macroscopic traffic model, and some ways of representing the flow of vehicles. In the third chapter, dynamic models are proposed for different road segments and sections. The fourth chapter is devoted to designing algorithms for traffic control and optimization, including a robustness analysis to evaluate the system’s tolerance to model nonlinearities. The fifth chapter presents a control strategy for the road network, using the representation with compartmental models and the concept of positive dynamic. In the last chapter of the thesis, the author’s contributions are highlighted and some perspectives for further development of the research are presented

Parmi les problèmes soulevés par ce qu'aucuns appellent la "Théorie de la Commande Hiérarchisée", il en est un qui est remarquable : c'est celui de l'appellation même de ce secteur des mathématiques de l 'optimisation statique ou dynamique. En effet, on a employé à son égard, simultanément ou successivement, les termes de "décomposition", "commande ou systèmes hiérarchisés ou à plusieurs niveaux", "décentralisation", "coordination" etc... Cette indétermination verbale cache sans doute une indétermination conceptuelle sur l 'objet de cette théorie. Il faut en fait convenir que l'on a tendance à confondre plusieurs types de problèmes dont le dénominateur commun est semble-t-il la présence d'un système complexe. <br/><br/>Formalisme et principes de coordination. Algorithme de Takahara et extensions. Prédiction et opérateur d'intéraction. Application à la commande optimale. Étude du fonctionnement dégradé. Problème de la décomposition du système.

Compte tenu de la forte croissance du trafic aérien aussi bien dans les pays émergents que dans les pays développés soutenue durant ces dernières décennies, la satisfaction des exigences relatives à la sécurité et à l'environnement nécessite le développement de nouveaux systèmes de guidage. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la synthèse d'une nouvelle génération de lois de guidage pour les avions de transport présentant de meilleures performances en terme de suivi de trajectoire. Il s'agit en particulier d'évaluer la faisabilité et les performances d'un système de guidage utilisant un référentiel spatial. Avant de présenter les principales approches utilisées pour le développement de lois de commande pour les systèmes de pilotage et de guidage automatiques et la génération de directives de guidage par le système de gestion du vol, la dynamique du vol d'un avion de transport est modélisée en prenant en compte d'une manière explicite les composantes du vent. Ensuite, l'intérêt de l'application de la commande adaptative dans le domaine de la conduite automatique du vol est discuté et une loi de commande adaptative pour le suivi de pente est proposée. Les principales techniques de commande non linéaires reconnues d'intérêt pour le suivi de trajectoire sont alors analysées. Finalement, une loi de commande référencée dans l'espace pour le guidage vertical d'un avion de transport est développée et est comparée avec l'approche temporelle classique. L'objectif est de réduire les erreurs de poursuite et mieux répondre aux contraintes de temps de passage en certains points de l'espace ainsi qu'à une possible contrainte de temps d'arrivée.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse s'inscrit dans le cadre de la commande non-linéaire et robuste des avions de transport. Le but de cette thèse est de coupler les propriétés de la commande non-linéaire (adaptation aux non-linéarités de l'avion, synthèse de correcteurs explicites, facilité de réglage une fois la synthèse réalisée, généricité des lois de commande obtenues) à des propriétés de robustesse indispensables à l'activité aéronautique. En effet, pour garantir la sécurité des vols tant en pilotage manuel qu'en pilotage automatique, les lois de commande doivent présenter des propriétés fortes de stabilité et de performances robustes. Après une introduction au contexte industriel et de recherche du sujet de thèse, une partie "techniques, méthodes et outils" nous permet de mettre en avant les contributions du travail de thèse dans les domaines de la commande non-linéaire robuste et de la modélisation automatique. La technique de commande non-linéaire robuste présentée, appelée commande RMI (Robust Multi-Inversion) s'appuie sur la technique désormais classique d'inversion de la dynamique, notamment étudiée à Airbus depuis quelques années (Fabrice VILLAUME, Jean DUPREZ) et qu'elle robustifie par l'adjonction d'une boucle supplémentaire d'observation. Nous présentons aussi un outil de génération automatique de modèles non-linéaires, multivariables et embarquables, ainsi que les méthodes afférentes basées sur les réseaux de neurones. Cet outil est nécessaire à l'industrialisation des lois de commandes non-linéaires basées modèles. La partie applicative de la thèse souligne ensuite les particularités du système "avion" et propose des architectures de lois de commande, des trajectoires de référence associées, et la validation avancée de l'ensemble par simulations sur simulateur certifié. Enfin, après une conclusion sur le bilan de la thèse et les perspectives envisageables, nous proposons des annexes permettant d'approfondir certains aspects de notre ét ude.

Devant l’augmentation de la part des énergies renouvelables en France, cette thèse propose d’étudier l’augmentation de la flexibilité des réacteurs à eau pressurisée en croisant deux disciplines pour, chacune, atteindre des objectifs complémentaires : l’Ingénierie Système (IS) et l’Automatique.Dans le contexte de l’ingénierie de systèmes complexes et du Model Based Systems Engineering, ce travail propose dans un premier temps une méthode de conception se fondant sur les principes normatifs de l’IS et respectant les habitudes et les pratiques courantes en ingénierie de Framatome. Cette méthode a pour vocation de formaliser et assurer le passage des exigences aux architectures et d’améliorer les capacités de vérification des modèles développés lors de la conception. Elle s’organise autour de langages de modélisation interopérables, couvrant l’ensemble des processus promus par l’IS. La méthode proposée est appliquée sur le système dont les performances sont les plus limitantes dans le contexte de l’augmentation de flexibilité : le Core Control. Ce composant algorithmique du réacteur assure le contrôle des paramètres de fonctionnement du cœur : la température moyenne, la distribution axiale de puissance et la position des groupes de grappes.La thèse propose ensuite des contributions techniques relevant du champ de l’Automatique. Il s’agit de concevoir un système de régulation répondant aux exigences issues de la formalisation IS évoquée ci-dessus. La solution proposée repose sur une stratégie de commande hiérarchisée, utilisant la complémentarité des approches dites de commande multi-objectif, de séquencement de gains et enfin de commande prédictive. Un modèle de réacteur nucléaire simplifié innovant est développé à des fins de conception du système de régulation et de simulations intermédiaires. Les résultats obtenus ont montré les capacités d’adaptation de la démarche proposée à des spécifications diverses. Les performances atteintes sont très encourageantes lorsque évaluées en simulation à partir d’un modèle réaliste et comparées à celles obtenues par les modes de pilotages classiques. / In the event of increasing renewable energies in France, this thesis proposes to study the flexibility increase of pressurized water reactors (PWR) throughout two different engineering disciplines aiming at complementary objectives: Systems Engineering (SE) and Control theory.In a first phase, within the frame of complex systems design and Model Based Systems Engineering, this work proposes a SE method based on SE standard principles and compliant with Framatome’s practices and addressing the revealed issues. This SE contribution is twofold: formalize and ensure the path from requirements to system architectures and enhance the capabilities of models verification. The method revolves around interoperable modeling languages, covering the SE processes: from requirement engineering to system architecture design. The method is applied to the system, which performances are the most limiting in the context of flexibility increase: the Core Control. This algorithmic reactor component ensures the control of: the average coolant temperature, the axial offset and the rod bank position, three of the core main functioning parameters.In order to provide a technical contribution relying on some advanced control methodologies. It consists in designing a control system meeting the requirements defined by the SE method application. The proposed solution is in a two-layer control strategy using the synergies of multi-objective control, gain-scheduling and predictive control strategies. A simplified innovative nuclear reactor model is employed to conceive the control algorithm, simulate and verify the developed models. The results obtained from this original approach showed the ability to adapt to various specifications. Compared to conventional core control modes, the simulation results showed very promising performances, while meeting the requirements, when evaluated on a realistic reactor model.

Cette thèse développe les lois de coordination de systèmes de Lagrange. Elle propose en premier lieu une stratégie complètement décentralisée qui se base sur la technique de cross-coupling pour la commande d'un groupe de robots, appelé réseau, qui synchronisent leurs mouvements en suivant une trajectoire désirée. Cette stratégie est étendue pour faire face à l'incertitude paramétrique des robots ainsi qu’aux retards fréquemment rencontrés dans les applications pratiques de réseaux de communication. Une deuxième architecture basée sur la théorie des graphes est proposée pour les réseaux à leader. L'approche développée est considérée hybride. Une extension adaptative à base de réseaux de neurones est développée pour traiter les cas d'incertitude paramétrique. La stratégie conçue prend en considération les délais dans la réception des données. En se basant sur la notion de système en chaîne, la théorie des graphes, le concept de la passivité et la technique du backstepping, une nouvelle méthodologie de la conception de contrôleur de synchronisation pour une classe de systèmes sous-actionnés est développée. Afin d’avoir la possibilité d’implémenter ces stratégies de contrôle, on a développé une plate-forme d'expérimentation pour la robotique industrielle coopérative. / This thesis investigates the issue of designing decentralized control laws to cooperatively control a team of robot manipulators. The purpose is to synchronize their movements while tracking common desired trajectory. Based on a combination of Lyapunov direct method and cross-coupling technique, To account for unmatched uncertainties, the proposed decentralized control laws are extended to an adaptive synchronization tracking controllers. Moreover, due to communication imperfection, time delay communication problems are considered in the performance analysis of the controllers. Another relevant problem for distributed synchronized systems is the leader-follower control problem. In this strategy, a decentralized control laws based on the backstepping scheme is proposed to deal with a leader-follower multiple robots structure. Based on graph theory, the coordination strategy combines the leader follower control with the decentralized control. The thesis, also considers the cooperative movement of under- actuated manipulators tracking reference trajectories defined by the user. The control problem for a network of class of under-actuated systems is considered. The approach we adopted in this thesis consists in decomposing the under-actuated manipulators into a cascade of passive subsystems that synchronize with he other neighbors subsystems. The resulting synchronized control law is basically a combination of non-regular backstepping procedure aided with some concepts from graph theory. The proposed controllers are validated numerically, assuming that the underlying communication graph is strongly connected. To implement these control strategies, we developed an experimental platform made of three robot manipulators.

De nos jours, les applications utilisant des quadrirotors autonomes sont en plein essor. La surveillance et la sécurité de sites industriels ou sensibles, de zones géographiques pour l’agriculture par exemple sont quelques-unes des applications les plus célèbres des véhicules aériens sans pilote (UAV). Actuellement, certains chercheurs et scientifiques se concentrent sur le déploiement multi-drones pour l’inspection et la surveillance de vastes zones. L’objectif de cette thèse est de concevoir des algorithmes afin de réaliser une commande de vol en formation distribuée/décentralisée de multi-UAVs en temps réel dans une perspective de systèmes de systèmes. Tout d’abord, nous avons passé en revue certains travaux récents de la littérature sur la commande de vol en formation et la commande de quadrirotors. Nous avons présenté une brève introduction sur les systèmes de systèmes, leur définition et leurs caractéristiques. Ensuite, nous avons introduit la commande de vol en formation avec ses structures les plus utilisées dans la littérature. Nous avons alors présenté quelques travaux existants traitant du flocking (comportement de regroupement en flotte), les méthodes de modélisation les plus utilisés pour les quadrirotors et quelques approches de commande les plus utilisées pour stabiliser des quadrirotors. Deuxièmement, nous avons utilisé la structure de la commande comportementale pour réaliser un vol en formation de plusieurs UAVs. Nous avons conçu un comportement pour réaliser le vol en formation de multi-UAVs sans fragmentation. Le comportement proposé traite le problème flocking dans une perspective globale, c’est-à-dire, nous avons inclus une tendance dans chaque drone pour former une formation. Les défis des Systèmes de systèmes nous a motivés à chercher des algorithmes de flocking et de consensus introduits dans la littérature qui peuvent être utiles pour répondre à ces défis. Cela nous a amenés à proposer quatre lois de commande en visant à être compatibles avec le modèle non linéaire des quadrirotors et pouvant être expérimentés sur des plates-formes réelles. Les lois de commande ont été exécutées à bord de chaque quadrirotor dans la formation et chaque quadrirotor interagit avec ses voisins pour assurer un vol en formation sans collision. Enfin, nous avons validé nos lois de commande par des simulations et des expériences en temps réel. Pour la simulation, nous avons utilisé un simulateur de multi quadrirotors développé au laboratoire Heudiasyc. Pour les expériences, nous avons mis en œuvre nos lois de contrôle sur des quadrirotors ArDrone2 évolués dans un environnement intérieur équipé d’un système de capture de mouvement (Optitrack). / Nowadays, applications of autonomous quadrotors are increasing rapidly. Surveillance and security of industrial sites, geographical zones for agriculture for example are some popular applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Nowadays, researchers and scientists focus on the deployment of multi-UAVs for the inspection and the surveillance of large areas. The objective of this thesis is to design algorithms and techniques to perform a real-time distributed/decentralized multi-UAVs flight formation control, from a system of systems perspective. Firstly, we reviewed recent works of the literature about flight formation control and the control of quadrotors. We presented a brief introduction about systems of systems, their definition and characteristics. Then, we introduced the flight formation control with its most used structures in the literature, some existing works dealing with flocking. Finally, we presented the most used modeling methodologies for quadrotors and some control approaches that are used to stabilize quadrotors. Secondly, we used the behavioral-based control structure to achieve a multiple UAV flocking. We conceived a behavior intending to address the control design towards a successful achievement of the flocking task without fragmentation. The proposed behavior treats the flocking problem from a global perspective, that is, we included a tendency of separated UAVs to form a flock.System of systems challenges motivated us to look for flocking and consensus algorithms introduced in the literature that could be helpful to answer to these challenges. This led us to propose four flocking control laws aiming at being compatible with the nonlinear model of quadrotors and at being implemented on experimental platforms. The control laws were run aboard each quadrotor in the flock. By running the control law, each quadrotor interacts with its neighbors to ensure a collision-free flocking. Finally, we validated our proposed control laws by simulations and real-time experiments. For the simulation, we used a PC-based simulator of flock of multiple quadrotors which was developed at Heudiasyc laboratory. For experiments, we implemented our control laws on ArDrone2 quadrotors evolved in an indoor environment equipped with an Optitrack motion capture system.