Les travaux présentés dans cette Habilitation à Diriger des Recherches visent le développement de nouvelles stratégies neuromimétiques destinées à l'identification et à la commande de systèmes physiques complexes, non linéaires et non stationnaires. Les réseaux de neurones artificiels, également appelés modèles connexionnistes, sont abordés d'un point de vue du traitement du signal et du contrôle. Insérés dans des schémas d'identification et de commande, leurs capacités d'apprentissage rendent ces tâches plus robustes et plus autonomes. Nos études cherchent à développer de nouvelles approches neuromimétiques en prenant en compte de manière explicite des connaissances a priori afin de les rendre plus fidèles au système considéré et d'en améliorer l'identification ou la commande. De nombreux développements sont présentés, ils touchent le neurone formel, l'architecture des réseaux de neurones et la stratégie neuromimétique. Un neurone formel est optimisé. Différentes approches neuronales modulaires basées sur plusieurs réseaux de neurones sont proposées. Des schémas neuronaux issus d'une formalisation théorique d'un système sont étudiés. Cette formalisation repose sur l'expression des signaux internes du système et utilise des signaux synthétisés représentatifs de son évolution. Des associations entre des réseaux neuromimétiques et des techniques telles que la logique floue, des modèles statistiques, ou des modèles paramétriques sont développées. Les techniques neuronales proposées ont été validées expérimentalement. Nous avons montré que les modèles connexionnistes permettent incontestablement de développer des commandes avancées et efficaces à travers une démarche réfléchie.

Cette thèse est une étude exploratoire autour des apports de la commande passive et de sa version adaptative dans le champ de l'électronique de puissance. En première partie, après des rappels théoriques, les propriétés génériques des convertisseurs sous le formalisme d'Euler-Lagrange sont présentées. Ces propriétés rendent l'application de la commande passive naturelle. En seconde partie, des exemples d'application sont traités, ils sont choisis de manière à englober un large éventail de familles de convertisseurs. Les modèles de réglage vont du modèle moyen standard au modèle moyen généralisé en passant par des transformations usuelles. Enfin, dans le dernier chapitre, la faisabilité des commandes passive et passive-adaptative est testée sur un exemple de compensateur statique d'énergie réactive (STATCOM).

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.

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

Dans le domaine de la commande par roues à réaction de l'attitude des satellites, la synthèse de correcteurs couvrant des plages de fonctionnement étendues reste un problème ouvert. En effet, les limitations des actionneurs font que l'utilisation d'une loi invariante sur tout le domaine considéré ne peut pas être envisagée. Apparait ainsi un besoin de mettre en place des stratégies de commande à temps variant. Ce besoin a motivé nos travaux de recherche, orientés vers la commande LPV et la commande adaptative directe. Après la présentation d'une solution de commande existante en début de nos travaux, nous nous orienterons, au cours de cette présentation, vers la commande adaptative. Ce domaine inclut la plupart des contributions, aussi bien théoriques que pratiques, apportées au cours de la thèse. Plus spécifiquement, les lois de commande auxquelles nous nous sommes intéressées s'expriment sous la forme d'un retour de sortie qui varie en fonction de signaux mesurés. A ce niveau, les outils que nous avons développés permettent de synthétiser des lois structurées, l'adaptation de chaque gain de commande étant réalisée de manière indépendante, en fonction des spécificités du procédé à contrôler. Les preuves de stabilité en boucle fermée se basent sur des outils de la théorie de Lyapunov, spécifiques à la commande adaptative, mais également à la commande robuste. Cette combinaison permet d'établir des preuves de stabilité asymptotique pour des lois d'adaptation structurées faisant apparaitre, entre autre, la sigma-modification. De nombreux degrés de liberté sont laissés à la disposition du concepteur de la loi de commande, la structure proposée présentant ainsi une grande flexibilité. D'autres paramètres sont déterminés de façon systématique pour garantir stabilité et robustesse. Au niveau de la commande du satellite nous avons obtenu, grâce à ces résultats, des correcteurs permettant d'adapter l'agilité de la structure en fonction des capacités disponibles du système d'actionnement à bord. Ces développements ont été récemment validés par la campagne d'essais en vol mise en place par le Cnes sur le satellite Picard. Ces essais, dont nous présenterons les résultats en avant-première lors de la soutenance, illustrent que les lois de commande proposées sont appropriées à une mise en œuvre pratique. Elles se montrent en effet robustes aux différentes non-linéarités du système ainsi qu'aux perturbations liées à l'environnement orbital.

Cette thèse porte sur la commande variant dans le temps avec comme fil directeur une application satellite. Nous avons étudié trois types de commande: une commande à commutation, une commande LPV et une commande adaptative directe. Pour cette dernière nous avons proposé des résultats théoriques nouveaux portant sur la structuration du gain et de l'adaptation. Les résultats ont été validés en simulation et sont testés à bord d'un satellite. L'application que nous considérons au cours de cette étude est la commande d'attitude des satellites par roues à réaction. A partir des limitations de ces actionneurs, nous exposons dans un premier temps le besoin de mettre en place des lois de commande qui varient selon les conditions de fonctionnement. En particulier, on cherche des correcteurs assurant une réponse rapide lorsque l'erreur d'attitude est faible, tout en limitant l'effort de commande lorsque le satellite se trouve loin de sa position de consigne. En partant des résultats préliminaires portant sur la commande à commutation, actuellement utilisée sur les satellites Myriade, une première partie de nos travaux est dédiée à la commande LPV. Une méthode de synthèse est développée, permettant d'obtenir de nouveaux algorithmes exprimés dans ce formalisme. L'approche que nous proposons se base sur la spécification des objectifs de commande à travers un modèle de référence LPV qui décrit le comportement idéal en boucle fermée. Testées en simulation, les lois de commande LPV obtenues répondent à la problématique de notre application. Toutefois, le choix du modèle de référence LPV s'avère délicat. Cette difficulté a été levée en utilisant la commande adaptative. Dans cette approche, les spécifications concernant les comportements aux dépointages faibles et forts sont traduites par des contraintes au niveau des lois d'adaptation des gains de commande. Nous introduisons ainsi une nouvelle méthode de synthèse permettant d'obtenir des lois adaptatives structurées. Les preuves de stabilité en boucle fermée se basent sur des outils de la théorie de Lyapunov, spécifiques à la commande adaptative, mais également à la commande robuste. Cette combinaison permet d'établir des preuves de stabilité asymptotique pour des lois d'adaptation structurées faisant apparaitre, entre autre, la sigma-modification. Plusieurs lois ainsi obtenues ont été testées sur un simulateur complet du un modèle non-linéaire d'un satellite dans son environnement orbital. Les résultats montrent l'intérêt de l'utilisation de tels algorithmes adaptatifs, qui permettent en particulier de modifier la dynamique du satellite en fonction des capacités disponibles des actionneurs. Sur la base de ces résultats positifs, une campagne d'essais en vol sur le satellite Picard est actuellement en cours.

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

Que ce soit pour des satellites en orbite autour de la terre ou des sondes spatiales explorant le système solaire, l'évolution des technologies de propulsion et de communication amène à une catégorie de véhicules spatiaux dont les appendices (panneaux solaires, antennes...) sont de plus en plus grands et flexibles. Responsable de vibrations structurales, cette flexibilité requiert des lois de commande d'attitude particulières. De plus, elle accroît considérablement la difficulté de modélisation et d'évaluation des paramètres physiques. Ce sujet de recherche s'inscrit dans le projet LABSAT, un satellite de laboratoire conçu à l'Université de Sherbrooke, dont les panneaux solaires sont flexibles et orientables. Par conséquent, ils sont responsables de variations significatives de la dynamique de rotation du satellite. L'analyse de la problématique a mis en évidence trois objectifs principaux: (1) réalisation d'un simulateur haute-fidélité non linéaire de la dynamique d'attitude sur lequel s'appuie (2) le développement d'un modèle linéaire variant en fonction de l'angle [delta] des panneaux solaires servant de support à (3) la conception d'une loi de commande robuste atténuant les vibrations structurales et s'adaptant à l'angle [delta]. Parallèlement à l'accomplissement de ces étapes, ce projet a donné lieu à plusieurs contributions dont les plus importantes sont: (1) la généralisation de l'approche pseudoflexible en considérant n éléments rigides pour la modélisation de panneaux flexibles, (2) la conception d'une démarche d'identification originale, applicable pour des modèles à paramètres variables marginalement stable et (3) une première application de la ([mu]-Mu)-itération auto-séquencée pour la commande d'attitude de satellite flexible. L'enchaînement séquentiel des différentes étapes rend la démarche globale particulièrement difficile et explique l'attention particulière dont elle fait l'objet. Après une étude critique de l'état de l'art, la première partie de ce mémoire analyse en profondeur la théorie des méthodes retenues et documente le développement d'outils théoriques et/ou pratiques comblant les lacunes subsistantes. Dans une seconde partie, l'application de la solution technique au cas simple d'un satellite rigide à paramètre variable permet de valider la démarche avant de la mettre en oeuvre pour LABSAT.

Les travaux de cette thèse ont pour objectif d’étudier la machine asynchrone à cage dans le contexte d’une conversion de l’énergie éolienne dans des sites isolés. Après un bref rappel des concepts de la conversion de l’énergie éolienne en énergie électrique, ce document dresse un état de l'art des différents solutions électrotechniques utilisées tant dans le domaine de production de masse que dans celui de l’alimentation de sites isolés. Le second chapitre est dédié à la modélisation de la machine asynchrone à cage. Le modèle linéaire de la machine asynchrone présentant des limites, une modélisation originale et simple, dans laquelle le phénomène de la saturation est pris en compte par une inductance magnétisante fonction du courant magnétisant a été élaboré. Les paramètres de ce modèle peuvent être obtenus à partir d’essais ou d’une approche numérique par élément finis en 2D. Les outils de modélisation proposés sont ensuite utilisés pour l’étude des performances de la machine asynchrone dans le cas de fonctionnements en génératrice autonome débitant sur des bancs de capacités et des charges équilibrées et déséquilibrées. Les résultats de simulation sont validés expérimentalement sur un banc d’essais. La dernière partie du mémoire est consacrée à la comparaison de deux techniques de commande de la génératrice asynchrone, autonome, débitant sur un redresseur à MLI (commande vectorielle, contrôle direct du couple). Le but de ces techniques est de maintenir une tension constante à la sortie du redresseur pour des charges et des vitesses variables. Cette tension est ensuite ondulée à la bonne amplitude et fréquence pour une utilisation en site isolé. Pour chaque technique, deux stratégies ont été testées (àflux constant et à flux variable en fonction de la vitesse). Les résultats de simulation ont montrél’efficacité de ces techniques ainsi que les intérêts et les limites de chacune d’elles. / The work of this thesis aims to study the squirrel cage induction machine in the context of the wind energy conversion in isolated locations. After a brief review of the concepts of converting wind energy into electrical energy, this document describes the state of the art of different solutions used in both the mass production electrical field than in the supply of isolated sites. The secondchapter is dedicated to the modelling of squirrel cage induction machine. As the linear model presents limitations, a new and simple model, in which the saturation phenomenon is taken into account by a magnetizing inductance function of the magnetizing current, was developed. The parameters of this model can be obtained from tests or numerical approach using 2D FEM. The proposed modelling tools are then used to study the performance of stand alone induction generators connected to capacitive bank and balanced and unbalanced loads. The simulation results are validated experimentally on a test bench. The last part of the thesis is devoted to comparison of two techniques for controlling the induction generator, self-feeding a PWM rectifier (Vector Control, Direct Torque Control). The purpose of these techniques is to maintain a constant voltage at the output of the rectifier whatever the loads and speeds. This voltage is then adapted by the inverter to the good magnitude and frequency for a use in isolated areas. For each technique, two strategies were tested (at constant flux and variable flux depending on speed). The simulation results showed the effectiveness of these techniques and the interests and limitations of each.

Le maintien de personnes âgées au domicile le plus longtemps possible est censé apporter une réponse à la croissance de l’espérance de vie en occident et a des coûts toujours croissants pour la société. ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre du projet CompanionAble, qui vise a fournir une solution intégrée maison intelligente - robot aux personnes âgées, vivant seules. L'objectif est de maintenir un confort en fin de vie à un niveau élevé et à traiter les situations dangereuses pour elles, comme les chutes, avant que les conséquences ne deviennent trop importantes. Les éléments qui m’intéressent dans ce cadre sont le robot et l’opérateur, qui se trouve à l’extérieur de la maison, et qui peut téléopérer le robot en vue d’interagir avec la personne âgée, soit pour des activités ludiques (visioconférence, exercices de stimulation cognitive), soit pour des situations d’urgence (chute, perte de connaissance… de la personne âgée). Pour maintenir les coûts du système à un niveau raisonnable, on a envisagé l’utilisation de l’internet public pour la connexion entre le site maître (où se trouve l‘opérateur) et le site esclave (où se trouve le robot). Une autre spécificité du notre système est le fait que les utilisateurs ne sont pas des spécialistes de la téléopération. J’ai donc cherché à faciliter la tâche de pilotage du robot, dans ce contexte spécifique. Du côté de l’interface, on a cherché à aider l’opérateur traitant les problèmes liés aux délais de transmission (possibles à cause de l’utilisation de l’internet) et lui donner la possibilité d’utiliser une interface écologique, qui utilise des éléments de réalité augmentée. Du côté du robot, on a rajouté un nouveau mode de commande, semi-autonome, pour que l’opérateur soit plus à l’aise pendant qu’il le déplace. Pour finir, on a examiné la possibilité de passer d’un mode de commande à un autre, pour que l’opérateur soit le moins affecté que possible par des perturbations et que les performances du système restent acceptables. Les solutions proposées ont été implantée sur un système réel et évaluées au laboratoire et en situations réelles dans le cadre du projet européen CompanionAble. / Enabling older people to live in their homes as long as possible is supposed to respond to the growth of life expectancy in the west and the increasing costs to society. The present thesis was conducted in the framework of the companionable, which aims to provide an integrated smart home - robot for the elderly, which are living alone. The objective is to maintain the end of life comfort at a high level and to deal with dangerous situations for them, such as falls, before the consequences become too costly. The elements that interest me in this context are the robot and the remote operator, which is outside the home, and can teleoperate the robot to interact with the elderly, for recreational activities ( videoconferencing, cognitive stimulation exercises) or for emergency situations (falls, loss of consciousness, etc.). To keep the system costs to a reasonable level, we considered using the public internet as the connection between the master site (where the operator is) and the slave site (where the robot is). another unique feature of our system is that users are not specialists in teleoperation. As such, i tried to ease the task of controlling the robot, in this specific context. On the remote control interface side, we tried to help the operator in dealing with the problems associated with transmission delays (due to the possible use of the internet) and we gave him/her the option of using an ecological interface, which uses elements of augmented reality. On the robot side, we added a new command mode, semi-autonomous, so that the operator is more at ease as he/she controls the robot. finally, we examined the possibility of switching from one control mode to another, so that the operator is the least affected by possible disturbances and system performance is kept acceptable. The proposed solutions have been implemented on a real system and evaluated in the laboratory and in real situations, in the framework of the european CompanionAble project.