Au cours du siècle dernier, la communauté scientifique a traité le contrôle des véhicules aériens principalement par l'élaboration de stratégies ad hoc, mais aucune approche unifiée n'a été développé jusqu'à présent. Cette thèse participe à l'élaboration d'une approche unifiée pour le contrôle des véhicules aériens en prenant en compte les forces aérodynamiques dans la conception de la commande. Nous supposons les effets aérodynamiques de rotation et les effets non stationnaires négligeables. Les actionneurs du véhicule sont supposés être composés d'une force de poussé fixée au corps pour le mouvement en translation, et d'un couple de contrôle pour la régulation d'attitude. Cette thèse se concentre ensuite sur la boucle de guidage, traitant du contrôle de la vitesse linéaire. L'un des principaux objectifs a été de déterminer la façon de réguler la force de poussée et l'orientation du véhicule pour compenser les forces extérieures. Tout d'abord nous abordons la modélisation, l'analyse et le contrôle de la dynamique longitudinale de l'avion. Ensuite nous étendons certaines de ces études aux mouvements tridimensionnels d'avions au corps symétrique, tels que les missiles. Un résultat original de cette thèse est de préciser les conditions sur la force aérodynamique permettant de reformuler le problème du contrôle dans celui de la commande d'un corps sphérique, pour lequel des résultats de stabilité peuvent être démontrés. Les lois de commande proposées intègrent des termes intégraux et anti-wind up sans reposer sur une politique de commutation entre plusieurs lois de commande. / Over the last century, the scientific community has dealt with the control of flying machines by mainly developing different strategies in relation to different classes of aircraft, and no unified control approach has been developed so far. The present thesis contributes towards the development of a unified control approach for aerial vehicles by maintaining aerodynamic forces in the control design. It is assumed, however, that the aerodynamic effects of rotational and unsteady motions are negligible, and that the means of actuation for an aerial vehicle consist of a body-fixed thrust force for translational motion and a control torque for attitude monitoring. This thesis then focuses on the guidance loop of the control problem. One of the main objectives has been to determine how to regulate the thrust intensity and the vehicle orientation to compensate for the orientation-dependent external forces. In particular, the modeling, analysis, and control of the longitudinal aircraft dynamics is first addressed. Then, some of these studies are extended to three-dimensional motions of symmetric aircraft, such as missile-like bodies. An original outcome of this thesis is to state conditions on the aerodynamic force that allow the control problem to be recasted into that of controlling a spherical body. In this case, strong stability results can be shown. The proposed control laws incorporate integral and anti-wind up terms and do not rely on a switching policy between several control laws.

Les problèmes neurologiques dus aux AVC et aux lésions de la moelle épinière ainsi que la faiblesse des muscles squelettiques peuvent considérablement affecter les capacités motrices des personnes infirmes ou âgées. Les solutions traditionnellement utilisées pour l’assistance et le traitement de ces personnes dépendantes, sont relativement coûteuses; en termes de prise charge, elles impliquent, pour les aidants et les services de santé, des efforts humains et des moyens financiers importants. Dans ce cadre, la robotique apparaît comme une solution bien adaptée et prometteuse pour développer des systèmes d’assistance permettant d’améliorer l’autonomie des personnes dépendantes. Les exosquelettes des membres inférieurs sont des robots portables, destinés à être utilisés en tant que dispositifs d’aide à la mobilité pour augmenter les capacités motrices des sujets porteurs, ou comme auxiliaires de rééducation neuromusculaire. Ce domaine de recherche a fait l’objet, ces dernières années, d’un intérêt grandissant au sein de la communauté robotique. Du fait qu’un exosquelette est caractérisé par une interaction physique et cognitive directe avec son porteur, sa fonction principale est de fournir une assistance adaptée aux capacités sensorimotrices du sujet porteur. Il est, par conséquent, nécessaire de développer des stratégies de commande basées sur l’intention de mouvement du porteur. Du point de vue de l’exosquelette, les contacts physiques avec le sujet porteur ou l’environnement sont considérés comme des perturbations affectant la bonne réalisation des mouvements désirés du porteur. Ces perturbations doivent être également être prises en compte lors de la conception des stratégies de commande.Dans cette thèse, nous proposons trois stratégies de commandes assistives pour les exosquelettes des membres inférieurs. Deux modes d’assistance sont étudiés ici: le mode passif où le sujet dispose de capacités motrices très limitées et ne développe quasiment aucun effort, et le mode actif-aidé où le sujet possède certaines capacités motrices mais qui sont insuffisantes pour réaliser de manière autonome un mouvement désiré. Dans la première stratégie de commande, le sujet est supposé être en mode passif. Une commande robuste par modes glissants, basée sur un observateur non-linéaire de perturbations (Nonlinear Disturbance Observer (NDO)), est développée pour garantir un suivi précis des mouvements désirés de l’articulation du genou. Dans la deuxième stratégie de commande, nous proposons une structure de commande en impédance active non-linéaire où le sujet est supposé être en mode actif-aidé. Cette stratégie de commande assistive est utilisée pour assister le porteur dans la réalisation d’activités physiques mono-tâche. L’évaluation des performances de la structure proposée sont étudiées dans le cadre de deux activités: la flexion/extension du genou et le transfert assis-debout. Enfin, la troisième stratégie de commande proposée est une commande contextualisée pour assister le porteur dans ses activités de marche. Nous proposons une approche permettant de détecter le mode de marche dès le début d’un nouveau pas, en utilisant les caractéristiques cinématiques du porteur, à savoir la position et la vitesse des pieds lors de la marche. L’approche de détection du mode de marche rend possible la sélection des modèles cinématique et cinétique appropriés pour chaque mode. Différentes stratégies d’assistance sont développées: compensation partielle de la gravité, assistance basée impédance de type ressort/amortisseur virtuel et assistance de type impédance nulle. Ces stratégies sont combinées différemment selon le mode de marche estimé. Pour évaluer les performances des stratégies de commande proposées, deux prototypes d’exosquelettes des membres inférieurs ont été développés: l’exosquelette de l’articulation du genou EICOSI, et l’exosquelette des membres inférieurs E-ROWA / Neurological problems caused by stroke and spinal cord injury as well as the weakness of skeletal muscles may considerably affect the motor ability of the elderly and infirm. Traditional solutions of assistance and treatment for these dependent people are relatively costly; they generally need significant human efforts and financial resources from caregivers and national healthcare centers. In this context, robotics appears as a convenient and promising solution to develop assistive systems for improving the autonomy of dependent people. Lower limb exoskeletons are wearable robots that can be used as assistive devices for augmenting the wearer’s motor ability and/or improving the effectiveness of neuromuscular rehabilitation. Recently, they have attracted increasing interest in the robotics community. As lower limb exoskeletons exhibit close cognitive and physical interactions with the wearer, a fundamental function is to provide appropriate power assistance by taking into account the wearer’s sensor-motor ability. Consequently, it is of great importance to develop human intention based control strategies. Meanwhile, from the exoskeleton’s viewpoint, the physical contacts with the wearer and the environment are both considered disturbances affecting the accomplishment of the wearer’s desired movements. These disturbances should also be taken into account during the design of control strategies.In this thesis, we develop three assistive control strategies for lower limb exoskeletons. In the meantime, two modes of assistance are studied: the passive mode in which the wearer has very limited motor ability as well as the active-assisted mode in which the wearer has certain motor ability but that is insufficient to perform autonomously a desired physical movement. In the first control strategy, the wearer is assumed to be in passive mode. A robust sliding mode control approach is developed based on the use of a nonlinear disturbance observer, in order to guarantee accurate tracking performance of desired knee joint movements. In the second control strategy, we propose a human intention based nonlinear active impedance control structure, in which the wearer is in an active-assisted mode. This assistive strategy is used to assist the wearer in single-task physical activities, for instance, the knee joint flexion/ extension movement. We investigate the performance of the proposed control structure based on two case studies: knee-joint flexion/extension movements and sit-to-stand movements. Finally, the third control strategy is developed to assist the wearer during walking activities. We propose a new approach that is able to detect the gait mode at the early beginning of a new step using the kinematic features namely velocity and position of the wearer’s feet during walking. The proposed gait mode detection approach makes it possible to select appropriate kinematic and kinetic models for each gait mode. Different assistive strategies are developed: partial gravity compensation, virtual-spring/damper based impedance assistance and zero impedance assistance. These strategies are combined differently according to the estimated wearer’s gait mode. To evaluate the proposed control strategies, two lower limb exoskeleton prototypes are developed: a knee joint lower limb exoskeleton, called EICOSI, and a full lower limb exoskeleton, called E-ROWA

La conception des systèmes d'entrainement de bande est étudiée depuis de nombreuses années. Ces systèmes sont très répandus dans l'industrie puisque le conditionnement sous forme de bobines simplifie le traitement de nombreux matériaux tels que le papier, le carton, les polymères, ... Ces systèmes regroupent un grand nombre de difficultés : ils sont de grande dimension, un fort couplage existe entre les grandeurs et de nombreux paramètres varient au cours du temps. La méthode d’optimisation classique consiste à considérer chaque partie du système sans tenir compte des autres. De plus, au sein d'un même sous-ensemble, l’optimisation est réalisée discipline par discipline. Une nouvelle approche est proposée et appliquée à la synthèse de la commande : il s’agit de considérer le système global en prenant en compte la robustesse paramétrique. Ensuite, le choix optimal du tracteur maître et de la technologie d'asservissement de la tension de bane associée sont étudiées. / The design of roll-to-roll systems is studied for several years. This kind of system is very common in industry because the wound roll packaging simplify the treatment of material such as paper, cardboard, polymers, metal ... The studied systems have a high number of difficulties: they are large scale systems, a high coupling between physical values exists and several parameters are time dependent. The classical optimisation method consists in considering separately each subsystem without taking into account interactions. Moreover, the classical optimisation is made for each scientific field. A new approach is developed and applied to controller synthesis: the controllers are synthesized considering the global system with parametric uncertainties. The optimal choice of the master roller position and the technology used to control web tension are then studied.

Cette thèse présente une méthodologie de conception et d’évaluation de lois de commande pour projectiles guidés, au moyen d’un prototype placé dans une soufflerie via un support autorisant plusieurs degrés de liberté en rotation. Ce dispositif procure un environnement permettant à la fois de caractériser expérimentalement le comportement de la munition et d’évaluer les performances des lois de commande dans des conditions réalistes, et est mis en œuvre pour l’étude d’autopilotes de tangage et de lacet, à vitesse fixe et à vitesse variable, pour un prototype de projectile empenné piloté par canards. La modélisation d’un tel système aboutit à un modèle non-linéaire dépendant de nombreuses conditions de vol telles que la vitesse et des angles d’incidence. Les méthodes de séquencement de gain basées sur des linéarisations d’un modèle non-linéaire sont couramment employées dans l’industrie pour la commande de ce type de systèmes. A cette fin, le système est représenté au moyen d’une famille de modèles linéaires dont les paramètres sont directement estimés à partir de données recueillies sur le dispositif expérimental. L’observation du comportement à différents points de vol permet de considérer la vitesse de l’air comme unique variable de séquencement. La synthèse des différents contrôleurs est réalisée au moyen d’une méthode H∞ multi-objectifs à ordre et structure fixes, afin de garantir la stabilité et la robustesse du système vis-à-vis d’incertitudes liées à la variation du point de fonctionnement. Ces lois de commande sont alors validées au moyen d’analyses de robustesse, puis par leur implémentation sur le dispositif expérimental. Les résultats obtenus lors d’essais en soufflerie correspondent aux simulations numériques et sont conformes aux spécifications attendues. / This work presents a novel methodology for flight control law design and evaluation, using a functional prototype installed in a wind tunnel by the means of a support structure allowing multiple rotational degrees of freedom. This setup provides an environment allowing experimental characterization of the munition’s behavior, as well as for flight control law evaluation in realistic conditions. The design and validation of pitch and yaw autopilots for a fin-stabilized, canard-guided projectile is investigated, at fixed and variable airspeeds. Modeling such a system leads to a nonlinear model depending on numerous flight conditions such as the airspeed and incidence angles. Linearization-based gain scheduling techniques are widely employed in the industry for controlling this class of systems. To this end, the system is represented with a family of linear models whose parameters are directly estimated from experimentally collected data. Observation of the projectile’s behavior for different operating points indicates the airspeed can be considered as the only scheduling variable. Controller synthesis is performed using a multi-objective, fixed-order, fixed-structure H∞ technique in order to guarantee the stability and robustness of the closed-loop against operating point uncertainty. The obtained control laws are validated with robustness analysis techniques and are then implemented on the experimental setup, where wind-tunnel tests results correlate with numerical simulations and conform to the design specifications.

L’objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de diagnostic dans le cas d'une commande en vitesse sans capteur mécanique (vitesse/position) d’une machine asynchrone triphasée en présence de défaut d'ouverture des transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) de l’onduleur. Une étude de l’impact de ces défauts sur les performances de ces structures sans capteur mécanique en termes de stabilité et de robustesse des observateurs en mode dégradé est présentée. Un observateur par mode glissant (Sliding Mode Observer) à base de modèle est développé et validé expérimentalement en vue de la commande sans capteur mécanique de la machine asynchrone triphasée. Les signaux issus de l’observateur (approche modèle) sont utilisés conjointement avec ceux mesurés (approche signale) pour former une approche hybride de diagnostic de défauts des transistors IGBT de l’onduleur. Un observateur par mode glissant d’ordre 2 à base d’un algorithme Super-Twisting est ensuite développé en vue d’améliorer la stabilité et d’assurer la continuité de fonctionnement du système en présence d'un défaut afin de pouvoir appliquer une stratégie de commande tolérante aux défauts dans les meilleures délais et conditions de fonctionnement. / The main goal of this thesis is to propose diagnostic strategies in the case of a sensorless speed control of a three-phase induction motor under an opened-switch or opened-phase fault. A qualitative analysis of the performances, in terms of stability and robustness, of sensorless control applied to the electrical drive in pre-fault and post-fault operation modes is presented. A model-based sliding mode observer is developed and experimentally validated for sensorless speed control of three-phase induction motor. The signals issued from the observer (model approach) as well as the measured ones (signal approach) are simultaneously used to form a hybrid approach for inverter open-switch fault detection and identification. A second-order sliding mode observer based on Super-Twisting algorithm (STA) is also developed to improve the stability and to ensure the continuity of operation of the electrical drive especially during transient states induced by the fault, permitting thus to apply the reconfiguration step without losing the control

Les actionneurs électropneumatiques sont très utilisés dans l'industrie automobile car ils offrent de grands avantages, en termes d'encombrement, de puissance élevée et de simplicité de commande. Ces actionneurs sont utilisés plus particulièrement pour le contrôle des Turbocompresseurs à Géométrie Variable (TGV). Le TGV joue un rôle très important dans les performances de la boucle d'air du moteur, en particulier sur la qualité de l'air à l'admission et à l'échappement. Les nouvelles réglementations gouvernementales concernant les émissions polluantes des véhicules ont poussé les équipementiers automobiles à s'intéresser davantage au contrôle du Turbocompresseur à Géométrie Variable. Ces exigences ne peuvent pas être realisées à travers des techniques classiques de contrôle de type PID. En effet, le contrôle doit tenir compte de la complexité du modèle et de ses incertitudes ainsi que des exigences en termes de performances statiques et dynamiques et du nombre limité de mesures. De plus, il faut également tenir compte des conditions agressives dans lesquelles travaillent l'actionneur, notamment la température, les forces de frottement et les forces aérodynamiques à l'entrée du turbo. Dans le cadre de cette thèse, ce sont tous ces aspects qui ont motivé notre travail de modélisation et de commande robuste de l'actionneur électropneumatique du turbo. Dans un premier temps, nous avons établi un modèle de simulation de l'actionneur. Nous avons commencé par élaborer un modèle physique détaillé de l'actionneur, en prenant en compte les caractéristiques non linéaires provenant de la compressibilité de l'air et du frottement. Ensuite, deux modèles des forces aérodynamiques qui agissement sur l'actionneur ont été proposés. Le modèle global de l'actionneur a été validé expérimentalement et une analyse de sensibilité expérimentale a été menée sur plusieurs actionneurs afin d'identifier les paramètres ayant le plus d'impact sur les performances de l'actionneur. Dans un second temps, nous avons proposé une simplification du modèle obtenu dans le but de le rendre utilisable pour le contrôle, tout en préservant ses caractéristiques statiques et dynamiques. Enfin, nous nous sommes intéressés à la résolution du problème de commande robuste par retour de sortie de l'actionneur. Les algorithmes de contrôle et d'estimation élaborés ont été validés d'abord par des simulations, puis expérimentalement sur un banc d'essai moteur. / The choice of technology for automotive actuators is driven by the need of high power to size ratio. In general, electro-pneumatic actuators are preferred for application around the engine as they are compact, powerful and require simple controlling devices. Specially, Variable Geometry Turbochargers (VGTs) are almost always controlled with electro-pneumatic actuators. This is a challenging application because the VGT is an important part of the engine air path and the latter is responsible for intake and exhaust air quality and exhaust emissions control. With government regulations on vehicle pollutant emissions getting stringent by the year, VGT control requirements have also increased. These regulations and requirements can only be fulfilled with precise dynamic control of the VGT through its actuator. The demands on actuator control include robustness against uncertainty in operating conditions, fast and smooth positioning without vibration, limited number of measurements. Added constraints such as nonlinear dynamic behavior of the actuator, friction and varying aerodynamic forces in the VGT render classical control methods ineffective. These are the main problems that form the core of this thesis.In this work, we have addressed the above mentioned problems, using model based control complemented with robust control methods to overcome operational uncertainties and parametric variations. In the first step, a detailed physical model of an electro-pneumatic actuator has been developed; taking into account the nonlinear characteristics originating from air compressibility and friction. Means to compensate for aerodynamic force have been studied and implemented in the next step. These include model parametric adaptation and one dimensional CFD (Computational Fluid Dynamics) modeling. The complete model has been experimentally validated and a sensitivity analysis has been conducted to identify the parameters which have the greatest impact upon the actuator's behavior. The detailed simulation model has then been simplified to make it suitable for control purposes while keeping its essential behavioral characteristics (i.e. transients and dynamics). Next, robust controllers have been developed around the model for the control objective of accurate actuator positioning in presence of operational uncertainty. An important constraint in commercial actuators is that they provide output feedback only, as they are only equipped with low-cost position sensors. This hurdle has been overcome by introducing observers in the control loop, which estimate other system states from the output feedback. The estimation and control algorithms have been validated in simulation and experimentally on diesel engine test benches.

Ce travail de recherche concerne une approche nouvelle d'identification et de commande de processus réels. Les travaux sont fondés sur une classe particulière de systèmes qui possèdent des propriétés hybrides et qui ont une dynamique caractérisée par un fonction-nement par morceaux. Ces systèmes permettent de développer des outils particulièrement adaptés à une architecture temps réel. Le mémoire consacre un chapitre au concept de système hybride et à l'origine et à la nature des systèmes à fonctionnement par morceaux (SFM). Les autres chapitres fournissent la mise en œuvre théorique et pratique de nouvel-les méthodes d'identification et de commande utilisant les SFM et donc adaptées au temps réel. L'identification en ligne, assurée par une méthode appelée « clonage », est régie par un algorithme adaptatif qui garantit une convergence rapide. La commande, quant à elle, vise à réaliser la poursuite échantillonnée d'une trajectoire consigne par l'état d'un système linéaire, même dans le cas où le seul retour possible correspond à l'information provenant d'un capteur numérique qui délivre la sortie du système sous forme retardée et échantillonnée. Chaque méthode est fournie avec une introduction permettant de la situer par rapport à l'existant, une formalisation mathématique et des exemples de simulation et d'implantation temps réel.

Ce travail se situe dans le cadre de la commande des systèmes à paramètres répartis régis par des équations aux dérivées partielles non linéaires. On cherche ici à élargir l'utilisation de la stratégie de commande prédictive du cadre classique de systèmes décrits par des équations différentielles ordinaires à celui où les systèmes sont décrits par une classe d'équations non linéaires aux dérivées partielles (EDP). L'intérêt de l'utilisation de la stratégie de commande prédictive est de pouvoir résoudre divers problèmes de conduite tout en tenant compte explicitement de diverses contraintes de fonctionnement. Nous avons choisi une démarche qui a consisté à considérer directement des cas réels issus du Génie des Procédés, où de nombreux modèles de connaissance sont décrits par des EDP fortement non linéaires : un procédé de séchage de peinture par infrarouge (donnant lieu à une application réelle), un procédé de fabrication de matériau composite et un procédé de destruction de gaz polluants par catalyse. La particularité de ce travail concerne le fait de proposer une structure adaptée de commande prédictive par modèle interne, celui-ci étant déterminé autour d'une trajectoire soit prédéfinie, soit générée en tenant compte de diverses contraintes de fonctionnement. Dans le contexte de résolution du problème d'optimisation posé par l'approche prédictive, nous proposons un algorithme hors-ligne (génération de trajectoire) et un autre en ligne.

Ce travail traite du contrôle des systèmes décrits par des Equations aux Dérivés Partielles. La structure de Commande par Modèle Interne est étendue aux systèmes hyperboliques de dimension infinie, à contrôle frontière. Les EDP considérées sont celles de Saint-Venant, non linéaires, décrivant les écoulements à surface libre. <br />Le modèle utilisé est une linéarisation autour d'un écoulement permanent dont les coefficients dépendent de la variable d'espace. Les pentes et frottements sont non nuls, prenant en compte les phénomènes variables le long du canal. <br />L'analyse et la synthèse du contrôle sont réalisées en considérant le système en boucle fermée comme une perturbation de celui en boucle ouverte. Les perturbations portent sur les opérateurs, les semigroupes et le spectre dans un espace de Hilbert. L'opérateur hyperbolique Ae(x)dx+ Be(x) est caractérisé explicitement sans transformation préalable, en dimension une d'espace, où Ae(x) et Be(x) sont bornés. <br />Pour la synthèse de commande, une structure de contrôle frontière par modèle interne est utilisée, après avoir été ramené sous forme Kalmanienne abstraite. L'analyse de la stabilité en boucle fermée, par la théorie de la perturbation en dimension infinie, permet de donner des conditions suffisantes sur les paramètres de synthèse d'une loi de commande du type intégral et/ou proportionnel. <br />Les résultats en simulation et expérimentaux sur le canal de Valence montrent la faisabilité de l'approche. Elle est testée dans le cas monobief et multibiefs.

Cette thèse se place dans le cadre de la commande des manipulateurs mobiles hybrides holonomes/ non-holonomes, c'est-à-dire <br />des robots constitués d'un bras manipulateur embarqué sur une plate-forme porteuse. L'objectif de <br />ce travail est de fournir un cadre méthodologique pour la synthèse de lois de commande par retour d'état de tels systèmes, en <br />partant du constat qu'une stratégie de coordination entre la plate-forme et le manipulateur requiert génériquement de commander la <br />situation complète de la plate-forme. L'originalité des deux nouvelles approches proposées est de permettre un contrôle coordonné <br />d'une tâche prioritaire de manipulation et d'une tâche secondaire de locomotion, obtenu via la stabilisation pratique <br />de la situation complète de la plate-forme le long d'une trajectoire de référence quelconque.<br /><br />Ces deux méthodes génériques s'appuient sur la fusion de deux outils de commande: <br />l'approche par fonctions de tâches, dédiée au contrôle des bras manipulateurs, et <br />l'approche par fonctions transverses, consacrée à la commande des plate-formes non-holonomes. <br />Différentes applications de suivi de cible valident la flexibilité et la polyvalence de ces <br />approches de commande à travers le choix de plusieurs stratégies de coopération entre <br />manipulation et locomotion.