Un manipulateur cartésien dit " axe en gantry " peut être utilisé pour des applications requérant une dynamique élevée et une grande précision. Le type d'axe en gantry étudié dans ce mémoire consiste en un axe transversal porté par deux actionneurs linéaires balayant la direction longitudinale de l'espace de travail. Un troisième actionneur, monté sur le bras transversal, permet de déplacer la charge le long de la direction transversale de l'espace de travail. La problématique de ces systèmes réside dans la dégradation des performances de positionnement due au couplage mécanique existant entre les actionneurs et aux vibrations du bras transversal. La solution industrielle, consistant à minimiser les vibrations en rigidifiant (et en alourdissant) le bras transversal et à contrôler indépendamment les axes parallèles, mène à une consommation d'énergie importante qui ne sera plus acceptable à long terme. Un état de l'art sur la commande des axes en gantry met en évidence un manque d'analyse des phénomènes physiques responsables des couplages mécaniques et des vibrations du bras transversal. Ceux-ci sont en effet considérés comme des perturbations compensées par des méthodes mathématiques dérivées de l'automatique avancée. L'approche proposée dans ce mémoire se veut une alternative à ces méthodes. Elle est basée sur une modélisation physique détaillée de l'axe en gantry comprenant la flexibilité du bras transversal. Cette modélisation, associée à des méthodes d'identification expérimentale et de représentation causale, est exploitée afin de déduire des structures de commande et des méthodes de réglage adaptées. Des résultats expérimentaux montrent que cette méthodologie mène à une amélioration des performances de positionnement des axes en gantry par rapport à la commande industrielle et permet par exemple d'envisager l'allégement du bras transversal.

Cette thèse s'intéresse au calcul de solutions globales de problèmes de commande optimale en boucle ouverte. La méthodologie générale se base sur l'approche par les moments, où un problème d'optimisation est relâché en un problème généralisé des moments, dont une hiérarchie de relaxations semi-définies peut être résolue numériquement. L'approche est tout d'abord appliquée aux problèmes impulsionnels linéaires à temps variant, en modélisant le contrôle par une mesure. Les conditions semi-définies qui en résultent permettent de s'affranchir complètement des difficultés liées à la discrétisation temporelle. Ensuite, en se basant sur le formalisme des mesures d'occupations, la méthode peut être étendue aux systèmes impulsionnels non-linéaires, et fournit une suite monotone de bornes inférieures au coût optimal. Enfin, les résultats précédents peuvent être transposés aux systèmes à commutation, en modélisant chaque mode par une mesure d'occupation associée. Ceci permet d'obtenir des gains substantiels en charge de calcul par rapport à l'approche classique où l'espace de contrôle est mesuré.

Cette thèse concerne la commande des systèmes dont la dynamique peut être convenablement décrite par une approche multimodèle à partir d'une étude d'affinement des performances d'un système de commande adaptative avec modèle de référence. Quatre approches de commande multimodèle ont été proposées. La première approche est basée sur la commande avec modèle de référence sur la sortie. Une validation expérimentale réussie a été effectuée sur un réacteur chimique. La seconde approche est basée sur la commande prédictive avec modèle de référence sur l'état partiel. Des résultats de simulation, obtenus à partir d'un modèle physique d'un bioréacteur, ont montré que les performances du système de commande multimodèle sont semblables à celles obtenues par un système de commande non linéaire appropriée du type backstepping. La troisième approche est consacrée à la compensation des perturbations harmoniques dans le cas où la dynamique du système peut être raisonnablement décrite par une famille de modèles linéaires invariants. La quatrième approche est basée sur une commande prédictive multimodèle avec modèle de référence sur l'état partiel issue d'une synthèse LMI.

Le travail de recherche effectu'e dans cette thèse a été principalement consacré aux problèmes d'observation et de commande des moteurs asynchrones sans capteurs mécaniques. Deux contributions principale ont été faites en exploitant judicieusement le concept de grand gain. La première contribution est un observateur du type grand gain qui permet de réaliser une estimation relativement pr'ecise des variables d'état mécaniques et magnétiques des moteurs asynchrones à partir des mesures disponibles des courants et tensions statoriques. Le gain d'observation a été judicieusement modifié pour des considérations de faisabilité des calculs lorsque le moteur est amené à fonctionner dans des conditions incompatibles avec sa condition d'observabilité. Cet observateur a été particulièrement utilisé pour concevoir un asservissement des moteurs asynchrones sans capteur mécaniques à partir d'un système de commande avec retour d'état du type grand gain. La seconde contribution est une synthèse d'observateurs adaptatifs du type grand gain qui permettent d'estimer conjointement les variables d'état et un ensemble de combinaisons des paramètres d'un moteur asynchrone à partir des mesures des courants et tentions statoriques avec et sans mesure de la vitesse mécanique. Un observateur adaptatif a été particulièrement combiné avec un système de commande avec retour d'état du type grand gain pour concevoir un système de commande adaptative permettant de préserver les performances requises en asservissement des moteurs asynchrones sans capteurs magnétiques en dépit d'une méconnaissance de leurs paramètres.

Cette thèse se place dans le contexte de la croissance soutenue du trafic aérien. Elle concerne l'assistance automatisée au contrôle du trafic aérien qui vise à augmenter la capacité des secteurs de contrôle en transférant à l'équipage certaines tâches de nos jours dévolues au contrôleur aérien. Il s'agit plus particulièrement de renforcer la coopération entre l'équipage et le contrôleur aérien en vue de faciliter la tache de régulation des flux de trafic aérien. Le travail réalisé dans cette thèse est relatif à la mise en oeuvre de techniques de commande des systèmes non linéaires à plusieurs échelles de temps. Il a été réalisé à l'initiative du Centre d'Etudes de La Navigation Aérienne (CENA) au LAAS du CNRS à Toulouse en collaboration avec l'Ecole Nationale de l'Aviation Civile (ENAC). De manière concrète, il consiste principalement en la synthèse et l'évaluation de lois de guidage permettant la navigation relative entre aéronefs. Ces lois de guidage pourraient être embarquées à bord des aéronefs afin d'aider le contrôleur aérien dans sa tâche de régulation des flux de trafic. Au chapitre II, nous commençons par présenter le contexte actuel du contrôle du trafic aérien et les voies actuelles d'investigation dans le domaine de son automatisation. Cette présentation permet de distinguer deux types de guidage relatif : d'une part le guidage relatif en temps où l'aéronef suiveur vient se placer sur la position qu'occupait le leader quelques minutes plus tôt, et d'autre part le guidage relatif en distance où l'aéronef suiveur vient se placer à une distance donnée du leader. Un état de l'art sur les lois de guidage relatif entre aéronefs est ensuite réalisé au chapitre III. Comme il existe très peu de références bibliographiques dédiées aux lois de commande pour le guidage relatif entre aéronefs de transport commercial, l'état de l'art s'est focalisé sur les lois de commande appliquées au vol en formation d'engins volants, dont le guidage relatif peut être considéré comme un cas particulier (il englobe en plus la phase de rejointe de la formation). Un modèle de synthèse décrivant la dynamique de guidage d'un avion de transport commercial dont les fonctions de pilotage sont automatisées est ensuite proposé au chapitre IV. Ce modèle permet une synthèse hiérarchisée de lois de guidage relatif en s'appuyant sur les fonctions de pilotage classique de l'avion. Après avoir envisagé l'utilisation de lois linéaires de type proportionnelle et dérivée et précisé les objectifs de commande en terme de spécification des modes propres au chapitre V, deux techniques de commande non linéaire sont alors mises en oeuvre : le backstepping et le bouclage linéarisant basé sur la propriété de platitude. Au chapitre VI, deux lois de guidage basées sur la technique du backstepping sont développées. Elles permettent de réaliser un guidage relatif en temps. L'utilisation de cette technique permet de contourner un problème de singularité des lois conçues par des méthodes de type bouclage linéarisant lorsque les écarts sont exprimés dans le repère lié à l'avion suiveur. La loi de guidage basée sur la propriété de platitude du modèle de synthèse est développée au chapitre VII. Elle permet de réaliser un guidage relatif en distance. L'intérêt de cette approche est qu'elle permet de tenir compte de la contrainte d'espacement entre les aéronefs afin de renforcer la sécurité des manoeuvres de guidage relatif. Ces trois approches (loi proportionnelle et dérivée, backstepping et bouclage linéarisant basé sur la platitude) sont évaluées dans un dernier temps au chapitre VIII sur un jeu de scenarii réaliste d'un point de vue contrôle du trafic aérien. Le chapitre IX apporte la conclusion générale à cette thèse : il fait le bilan des résultats obtenus et indique de nouvelles pistes d'investigation dans ce domaine.

Avec le développement de l’éolien, les prescriptions techniques de raccordement de cette technologie obligeront le maintient de sa connexion lors d’incidents sur la tension du réseau électrique. L’enjeu pour le gestionnaire du réseau est de pouvoir utiliser tous les générateurs pour garantir la stabilité du système électrique.A partir d’un modèle dynamique d’une éolienne à base de Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA), une commande vectorielle améliorée a été proposée en prenant en compte la dynamique du flux statorique engendrée par la chute de tension. Les performances supérieures en terme de maintient de la production ont été établies par comparaison avec la méthode de commande classique. Son domaine d’utilisation a été également déterminé.Pendant les creux de tension importants, une protection matérielle (crowbar) est implémentée avec un contrôle de la démagnétisation de la MADA. En outre, de la puissance réactive peut être produite à la fois par la MADA et par le convertisseur connecté au réseau électrique au cours de la défaillance du réseau.Un contrôle vectoriel à hystérésis des courants pour les deux convertisseurs électroniques multiniveaux est proposé et évalué pour améliorer la réponse dynamique de ces convertisseurs et pour réduire les effets des variations des paramètres sur les performances de la commande. Selon la durée du défaut, des objectifs différents de contrôle doivent être réalisés en priorité pour empêcher des surintensités rotoriques et pour fournir de la puissance réactive. Une reconfiguration complète du dispositif de commande de cette éolienne est détaillée pour renforcer le maintient de la production éolienne lors de défaillances / With the massive development of wind energy, the technical requirements for connecting this technology will require the improvement of the fault ride-through capability of grid-connected wind turbines. The task for the grid system operator is to use all generators to ensure the stability of the electrical system.From a dynamic model of a Doubly Fed Induction Generator (DFIG) based wind generator, an improved vector control has been proposed by taking into account the dynamics of the magnetic flux, which are generated by the voltage dip. The higher performances have been established by comparison with the conventional control method. The operation domain was also determined.During serious voltage dips, a hysteresis control scheme of the active Crowbar is proposed to protect the system within a demagnetization method of the DFIG. Moreover, additional reactive power can be produced both by the MADA and the grid-side converter in order to support the electric network during the grid fault.A space vector hysteresis current control strategy of both three-level converters is proposed to improve the dynamic response of the system and to reduce the parameter variation effects on the control performanceDepending on the grid fault duration, different control objectives have to be achieved with priority to restrain the rotor over-current or to supply reactive power. Then the reconfiguration scheme of the control strategies of high power DFIG wind turbine system is proposed to enhance the fault ride-through capability of the DFIG system. With this specific methodology, the DFIG can stay connected and can supply maximal reactive current during voltage dips to help voltage recovery

Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif d'apporter une contribution aux méthodes de commande et d'observation des machines asynchrones destinées à la traction électrique. Dans ce contexte, plusieurs algorithmes ont été développés et implémentés. Après une présentation rapide de la commande vectorielle classique, de nouvelles approches de commande non linéaire sont proposées : il s'agit plus précisément de la commande backstepping classique et sa variante avec action intégrale. Une deuxième partie est consacrée à l'observation et à l'estimation des paramètres et des états de la machine, basée sur des structures MRAS-modes glissants d'une part et sur des structures de filtrage synchrone d'autre part. Une analyse détaillée du problème de fonctionnement à basse vitesse nous a conduit à proposer une solution originale dans le cadre d'une commande sans capteur mécanique. Le problème de la dégradation du couple en survitesse a été traité par un algorithme de défluxage basé sur la conception d'un contrôleur de tension. Enfin, nous avons proposé un algorithme d'optimisation afin de minimiser les pertes dans l'ensemble Onduleur-Machine / The work presented in this thesis aims to contribute to the control and observation of the induction machines for electric traction. Several algorithms have been developed and implemented. After a fast presentation of the classical vector control, new approaches of non-linear control are proposed : the classical backstepping and integral backstepping. A second part deals with the observation and the estimation of parameters and states of the machine, based on MRAS-Sliding Mode structures on one hand and on synchronous filtering structures on the other hand. A detailed analysis of the operation at low speed led us to propose an original solution for a Sensorless control. The torque degradation in field weakening zone was treated by a voltage regulation controller. Finally, we proposed losses minimization algorithm for the Inverter-Machine set

Les robots flexibles sont de plus en plus utilisés dans les applications pratiques. Ces robots sont caractérisés par une conception mécanique légère, réduisant ainsi leur encombrement, leur consommation d’énergie et améliorant leur sécurité. Cependant, la présence de vibrations transitoires rend difficile un contrôle précis de la trajectoire de ces systèmes. Cette thèse est précisément consacrée à l’asservissement en position des manipulateurs flexibles dans les espaces articulaire et opérationnel. Des méthodes de commande avancées, basées sur des outils de la commande robuste et de l’optimisation convexe, ont été proposées. Ces méthodes font en particulier appel à la théorie des systèmes linéaires à paramètres variants (LPV) et aux inégalités matricielles linéaires (LMI). En comparaison avec des lois de commande non-linéaires disponibles dans la littérature, les lois de commande LPV proposées permettent de considérerdes contraintes de performance et de robustesse de manière simple et systématique. L’accent est porté dans notre travail sur la gestion appropriée de la dépendance paramétrique du modèle LPV, en particulier les dépendances polynomiale et rationnelle. Des simulations numériques effectuées dans des conditions réalistes, ont permis d’observer une meilleure robustesse de la commande LPV par rapport à la commande non-linéaire par inversion de modèle face aux bruits de mesure, aux excitations de haute fréquence et aux incertitudes de modèle. / Flexible robots are becoming more and more common in practical applications. This type of robots is characterized by the use of lightweight materials, which allows reducing their size, their power consumption and improves their safety. However, an accurate trajectory tracking of these systems is difficult to achieve because of the transient vibrations they undergo. This PhD thesis work is particularly devoted to the position control of flexible robotic manipulators at the joint and end-effector levels. Advanced control methods, based on some tools of the robust control theory and convex optimization, have been proposed. These methods are based on the theory of Linear Parameter Varying (LPV) systems and Linear Matrix Inequalities (LMI). Compared to some nonlinear control laws available in the literature that involve model inversion, theproposed LPV control laws make it possible to consider performance and robustness constraints in a simple and systematic manner. Our work particularly emphasizes on the appropriate management of the parametric dependence of the LPV model, especially the polynomial and rational dependences. Numerical simulations carried out in realistic operating conditions have shown a better robustness of the LPV control compared to the inversion-based nonlinear control withrespect to measurement noise, high frequency inputs and model uncertainties.

Cette thèse répond à une problématique de commande frontière d’une conduite acoustique dont l’actionnement est assuré par un réseau d’actionneurs/capteurs co-localisés constituant une peau active. Pour faire face au caractère intrinsèquement multiphysique de ce problème vibro-acoustique, nous avons choisi dans cette thèse d’employer une approche hamiltonienne à ports, approche structurée basée sur la représentation des échanges entre différents domaines énergétiques au sein d’un système et entre différents systèmes. Nous avons proposé une modélisation hamiltonienne à ports de l’équation d’onde interconnectée à la frontière au système d’actionnement distribué, correspondant à une formulation 2D du problème physique. Nous avons développé une méthode de discrétisation spatiale basée sur l’utilisation de différences finies sur plusieurs grilles en quinconce qui préserve la structure hamiltonienne à ports de l’équation d’onde. Cette méthode permet en outre d’interconnecter facilement le système discrétisé avec d’autres sous-systèmes, dans le but de mettre en place un actionnement par exemple. Son principal avantage sur d’autres méthodes préservatives de structure réside dans sa simplicité de mise en œuvre qui découle de l’utilisation de différences finies. Concernant la commande du système vibro-acoustique, nous avons proposé une méthode de synthèse de loi de commande distribuée pour les systèmes régis par deux lois de conservation en 1D. L’originalité de cette méthode réside en le fait qu’elle repose sur le calcul d’invariants structuraux (fonctions de Casimir) exploités afin de modifier la structure du système en boucle fermée. Les conditions d’application sur un système 2D sont étudiées et des résultats numériques valident les lois de commande synthétisées. / This thesis deals with the boundary control of an acoustic by a network of co-localised sensors/actuators which constitutes a smart skin. In order to cope with this multiphysical problem, we chose to place our study in the framework of port-Hamiltonian systems, a structured approach based on the representation of energy exchanges between different energy domains between different systems of subsystems. We proposed a port-Hamiltonian model of the wave equation interconnected through its boundary to the distributed actuation system, which corresponds to a 2D formulation of the physical problem. We developed a spatial discretization method based on the use of finite differences on several staggered grids that preserve the port-Hamiltonian structure of the wave equation. This method also permits to easily interconnect the discretized system with other subsystems, which is convenient for instance for control purposes. Its main advantage over other structure preserving methods is its simplicity of implementation which stems from the use of finite differences. In order to control the vibro-acoustic system, we proposed a control law synthesis method for systems governed by two conservation laws in 1D. The originality of this method lies in the fact that it relies on the computation of structural invariants (Casimir functions) exploited in order to modify the structure of the system in closed loop. The conditions of application of these laws on a 2D system are studied and numerical results validate the synthesized control laws.

De nos jours, les systèmes embarqués sont de plus en plus nombreux ce qui impacte fortement les systèmes de conversion de l’énergie. Les contraintes associées se traduisent par une réduction des masses et des pertes afin d’améliorer l’efficacité énergétique de la chaine de conversion. C’est le cas dans le domaine de l’aéronautique où le concept ″d’avion plus électrique″ devient aujourd’hui une réalité. C’est ainsi que la machine synchrone à aimants permanents devient un actionneur d’excellence de par sa puissance massique importante, son faible coût de maintenance et ses qualités dynamiques. Lorsque ces machines sont associées pour remplir des fonctions coopératives (surfaces de vol par exemple) on peut encore réduire la masse embarquée en mutualisant l’électronique de puissance. C’est précisément dans ce cadre que se situe notre travail, en proposant des structures d’alimentation réduites, à base d’électronique de puissance, permettant d’alimenter deux ou plusieurs machines électriques en parallèle et en proposant des lois de commande visant à améliorer le rendement énergétique. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à la Commande Prédictive de deux Machines Synchrones alimentées en parallèle par un Onduleur de Tension Triphasé. Ces machines ont des caractéristiques identiques et doivent suivre un même profil de vitesse avec un couple de charge différent et en tout cas indépendant. L’approche commande prédictive nous conduit à considérer l’onduleur de tension comme un dispositif ayant un nombre fini d’états de commande. Nous devons sélectionner à chaque instant la meilleure solution de commande permettant de minimiser une fonction coût. Cette fonction coût, relative à une ou deux machines, est composée d’une partie représentant la qualité du couple produit (courant IRqR) et d’une autre partie représentant la qualité de la conversion via les pertes produites (courant IRdR). Cette approche opère naturellement à fréquence de découpage variable. Ainsi le document fait état de différentes solutions étudiées montrant les limites d’une telle approche tant sur le plan dynamique que sur le plan des pertes. Pour améliorer cette solution de base nous développons une approche basée sur l’utilisation de vecteurs virtuels. Ces vecteurs virtuels augmentent les possibilités de commande et conduisent à un fonctionnement à fréquence constante au travers d’une modulation de type SVM. La recherche d’un vecteur virtuel optimum est proposée et appliquée sur un dispositif composé de deux machines de faible puissance. Les différentes propositions sont validées par la voie de la simulation numérique et consolidées par des résultats expérimentaux. / Nowadays, embedded systems are more and more numerous that impacted strongly energy conversion systems. Associated constraints translates into a reduction of the masses and the losses to improve energy efficiency in the conversion chain. This is the case in the field of aeronautics or the concept of ″More Electric Aircraft″ now becomes a reality. Therefore, the permanent magnet synchronous machine becomes an actuator of excellence because of its important mass power, its low maintenance cost and its dynamic qualities. When these machines are associated to carry out cooperative functions (for example flight surfaces) can still reduce the mass embedded in pooling power electronics. It is precisely in this context that localizes our work by offering structures power electronics-based, reduced to power for two or more electric machines in parallel and providing control laws aimed at improving energy efficiency. We we are interested specifically in the Predictive Control of two Synchronous Machines connected in parallel with a 3-Phase Converter. These machines have identical characteristics and must follow a same velocity profile with a torque of different load and in any case independent. The predictive control approach leads us to consider the voltage inverter as a device having a finite number of input states and we need to select every moment the best control solution to minimize a cost function. This cost function on one or two machines, is composed of a portion which represents the quality of the produced torque (Iq current) and another party representative quality of the conversion via produced losses (Id current). This approach works naturally for variable switching frequency. Thus the document state of different solutions studied showing the limits of such an approach both dynamic in terms of losses. To improve this basic solution we develop an approach based on the use of virtual vector which increase the possibilities of control and led to operation at constant frequency through a SVM solution. The search for an optimum virtual vector is proposed and applied to a device consisting of two low-power machines. The various proposals are validated through numerical simulation and consolidated by experimental results.