Un nœud d'un réseau de capteurs sans fil traite dans ses unités de calcul les signaux issus de plusieurs types de capteurs et effectue différentes tâches liées aux protocoles de communication. Devant exécuter plusieurs types de contrôle, sa flexibilité est un paramètre très important. Les solutions à base de microcontrôleurs ou de FPGA ont été proposées pour aborder le besoin de flexibilité, mais au prix d'une efficacité énergétique réduite. Dans cette thèse, des contrôleurs flexibles à ultra-faible énergie basés sur un contexte de micro-tâches reconfigurables sont explorés comme alternative. Des architectures modulaires pour des machines d'états finis (FSM) et des chemins de données (DP) reconfigurables sont proposées. Les techniques de coupure de l'alimentation (PG pour power gating) sont utilisées pour adapter la consommation aux besoins et réduire la puissance statique. Dans un premier temps, des modèles pour l'estimation des paramètres clés d'un circuit avec PG sont proposés au niveau porte. Ensuite, les opportunités des techniques PG sont déterminées sur les FSM et DP reconfigurables pour en réduire l'énergie. Dans les chemins de données, la reconfiguration fait varier la précision des opérateurs et le PG permet d'éteindre les blocs logiques inutilisés. Une gestion de l'alimentation au niveau lookup table (LUT) est proposée pour réduire les courants de fuite en mode actif et en veille dans les FSM reconfigurables. Des résultats montrent les très bonnes performances des architectures proposées par rapport aux processeurs et FPGA.

Les travaux de cette thèse portent sur les problèmes d'analyse de stabilité et de synthèse de commande de systèmes non-linéaires à commutations en temps discret. Nos résultats ob- tenus sont fondés sur une nouvelle fonction de Lyapunov-Lur'e adaptée au temps discret. Nous reprenons le problème classique d'analyse de stabilité globale de systèmes linéaires connectés à une non-linéarité du type secteur borné. Notre fonction permet de traiter une classe de non-linéarités plus générale que celle des approches fondées sur la fonction de Lur'e classique. Ensuite, la stabilité locale et la synthèse de commande de ces systèmes avec une loi de commande non-linéaire saturée sont résolues en considérant les lignes de niveau de notre fonction de Lyapunov comme estimation du bassin d'attraction de l'origine. Notre estimation est composée par des ensembles non-connexes et non-convexes qui s'adaptent bien à l'allure du bassin d'attraction et donc est moins conservative que les ensembles el- lipsoïdaux. Nous étendons nos résultats pour étudier les systèmes à commutations lorsque chacun des modes présente une non-linéarité du type secteur et la saturation. D'une part, en supposant que la loi de commutation est arbitraire, nous obtenons des conditions suffisantes pour assurer la propriété de stabilité pour toute loi de commutation. Dans ce cadre, notre fonction s'avère intéressante afin de fournir une estimation bien adaptée au bassin d'attrac- tion. D'autre part, en considérant la loi de commutation comme une variable de commande, nous proposons une stratégie de commutation sur le minimum des fonctions de Lyapunov modales. Cette stratégie définit des partitions de l'espace d'état relatives à l'activation des modes qui ne sont pas uniquement des régions coniques, normalement exhibées par des approches fondées sur les fonctions quadratiques commutées.

Cette thèse adresse le problème suivant soit un robot mobile à roues equipé de capteurs, supposés parfaits, renvoyant en temps réel sa localisation. Notre objectif est de construire des lois de commande permettant à autonome. Nous avons dans un premier temps supposé que les roues roulent sans glisser sur le sol. Ceci est réaliste à vitesse modérée et sur des terrains de bonne adhérence. Les possibilités d'évolution des robots étant alors contraintes, ces systèmes sont clairement non-holonomes. Leur modélisation est détaillée. Elle montre que, dans l'optique de la synthèse de lois de commande, l'ensemble des robots mobiles à roues constitue 5 classes d'équivalence. La poursuite d'une trajectoire mobile et la stabilisation sur une configuration de repos sont, pour les systèmes non-holonomes, 2 problèmes distincts. Les solutions classiques peuvent être utilisées pour 4 classes de robots. Celle regroupant les robots équipés de plu sieurs roues commandées en orientation et en rotation présente une difficulté: le modèle de ces systèmes comporte des singularités. Nous avons construit, pour la poursuite, des lois de linéarisation par bouclage d'état dynamique, et pour la stabilisation, des lois de bouclage de l'état et du temps, qui garantissent que ces robots ne passent pas par leurs singularités. Enfin, pour la poursuite de trajectoires mobiles se terminant par une configuration de repos, nous avons proposé un schéma de commande hybride exploitant ces lois. Indépendamment, nous avons aussi analysé le taux de convergence de bouclages de l'état et du temps. Afin d'aborder la commande de robots à des vitesses élevées et/ou avec une mauvaise adhérence, nous avons dans un second temps relâché l'hypothèse de non-glissement. Une seconde modélisation, exploitant la description du contact d'un pneumatique avec le sol, est proposée. Celle-ci étant indéfinie à vitesse nulle, seule la poursuite d'une trajectoire mobile est envisagée. Nous avons proposé des lois de linéarisation partielle par bouclage d'état statique, et un schéma adaptatif afin qu'elles soient robustes pour les conditions d'adhérence.

Cette thèse aborde les problèmes de la modélisation et de la commande d'un micro-réseau courant continu (CC) en vue de la gestion énergétique optimale, sous contraintes et incertitudes. Le micro-réseau étudie contient des dispositifs de stockage électrique (batteries ou super-capacités), des sources renouvelables (panneaux photovoltaïques) et des charges (un système d'ascenseur motorise par une machine synchrone a aimant permanent réversible). Ces composants, ainsi que le réseau triphasé, sont relies a un bus commun en courant continu, par des convertisseurs dédies. Le problème de gestion énergétique est formule comme un problème de commande optimale qui prend en compte la dynamique du système, des contraintes sur les variables, des prédictions sur les prix, la consommation ou la production et des profils de référence.Le micro-réseau considère est un système complexe, de par l'hétérogénéité de ses composants, sa nature distribuée, la non-linéarité de certaines dynamiques, son caractère multi-physiques (électromécanique, électrochimique, électromagnétique), ainsi que la présence de contraintes et d'incertitudes. La représentation consistante des puissances échangées et des énergies stockées, dissipées ou fournies au sein de ce système est nécessaire pour assurer son opération optimale et fiable.Le problème pose est abordé via l'usage combine de la formulation hamiltonienne a port, de la platitude et de la commande prédictive économique base sur le modelé. Le formalisme hamiltonien a port permet de décrire les conservations de la puissance et de l'énergie au sein du micro-réseau explicitement et de relier les composants hétérogènes dans un même cadre théorique. Les non linéarités sont gérées par l'introduction de la notion de platitude démentielle et la sélection de sorties plates associées au modèle hamiltonien a ports. Les profils de référence sont génères a l'aide d'une para métrisation des sorties plates de telle sorte que l'énergie dissipée soit minimisée et les contraintes physiques satisfaites. Les systèmes hamiltoniens sur graphes sont ensuite introduits pour permettre la formulation et la résolution du problème de commande prédictive _économique a l'échelle de l'ensemble du micro-réseau CC. Les stratégies de commande proposées sont validées par des résultats de simulation pour un système d'ascenseur multi-sources utilisant des données réelles, identifiées sur base de mesures effectuées sur une machine synchrone. / The goals of this thesis is to propose modelling and control solutions for the optimal energy management of a DC microgrid under constraints. The studied microgrid system includes electrical storage units (e.g., batteries, supercapacitors), renewable sources (e.g., solar panels) and loads (e.g., an electro-mechanical elevator system). These interconnected components are linked to a three phase electrical grid through a DC bus and associated DC/AC converters. The optimal energy management is usually formulated as an optimal control problem which takes into account the system dynamics, cost, constraints and reference profiles.An optimal energy management for the microgrid is challenging with respect to classical control theories. Needless to say, a DC microgrid is a complex system due to its heterogeneity, distributed nature (both spatial and in sampling time), nonlinearity of dynamics, multi-physic characteristics, the presence of constraints and uncertainties. Moreover, the power-preserving structure and the energy conservation of a microgrid are essential for ensuring a reliable operation.This challenges are tackled through the combined use of port-Hamiltonian formulations, differential flatness, and economic Model Predictive Control.The Port-Hamiltonian formalism allows to explicitly describe the power-preserving structure and the energy conservation of the microgrid and to connect different components of different physical natures through the same formalism. The strongly non-linear system is then translated into a flat representation. Taking into account differential flatness properties, reference profiles are generated such that the dissipated energy and various physical constraints are taken into account. Lastly, we minimize the purchasing/selling electricity cost within the microgrid using the economic Model Predictive Control with the Port-Hamiltonian formalism on graphs.The proposed control designs are validated through simulation results.

Ces travaux de thèse portent sur l'intégration hétérogène des fonctions de commande pour des transistors de puissance verticaux à grille isolée. Ce travail a consisté en la conception des fonctions de commande pour un transistor de type MOSFET en technologie CMOS planar, puis en la conception du composant de puissance lui-même, incluant des fonctions spécifiques pour l'auto-alimentation de sa commande. Le deuxième aspect de ce travail est l'étude et la réalisation technologique de métallisations épaisses en surface de puces silicium pour l'hybridation en chip on chip de la partie commande et de la partie puissance. Ce mémoire de thèse comporte trois chapitres équivalents : études théoriques et présentation des concepts, conception et validation expérimentale de la partie commande puis conception de la partie puissance et développements technologiques. Les champs d'application de ces travaux sont variés car ils couvrent un large domaine de l'électronique de puissance (convertisseurs hybrides). / The work presented in this PhD manuscript deals with heterogeneous integration of the control functions for driving a vertical power MOSFET. This work consisted in the design of the driving functions for a vertical power MOSFET in a planar CMOS technology, then in the design of the power transistor itself, including specific functions for the self powering of its driving circuitry. The second aspect of this work was the technological study and realization of thick metallization at the surface of silicon dies for the chip on chip assembly of the control and the power parts. This manuscript is composed of three equal chapters: the theoretical study and concepts presentation, the design and experimental validation of the driver part, and the design of the power part and the technological realizations. The field of application of this work covers a large spectrum as it concerns every hybrid converter

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du rejet adaptatif de perturbations sur des structures de contrôle actif de vibrations. L’objectif était de développer des stratégies de commande adaptatives, pour le rejet actif de perturbations, et de les mettre en œuvre sur des procédés réels se trouvant au sein du département Automatique du laboratoire GIPSA-Lab de Grenoble. En première partie, le rejet de perturbations bande étroites inconnues a été traité en utilisant des lois de commande adaptatives en contre réaction basées sur le principe du modèle interne. Ces lois de commande ont été validées expérimentalement sur une plate-forme de suspension active. En deuxième partie, des algorithmes adaptatifs pour l’atténuation de perturbations bande larges par action anticipatrices « feedforward » ont été proposés, analysés, et testés en pratique sur une structure flexible de contrôle actif de vibrations. / This thesis work is a part of adaptive disturbances rejection on some flexible structures in active vibration control (AVC). The objective was to develop adaptive control strategies for the active disturbances rejection, and to implement them on real process located in the Automatic Control Department of GIPSA-Lab in Grenoble. In the first part, the rejection of unknown narrow-band disturbances (Sinusoidal and multi-sinusoidal) was treated using adaptive control laws in « feedback » based on the internal model principle. These control laws have been validated experimentally on an active suspension platform. In the second part, adaptive algorithms for the minimization of the effects of "broadband" disturbances in "feedforward" have been proposed, analyzed and tested in practice on a flexible structure of active vibration control.

L'objet de la thèse était la commande d'un système de nano-positionnement par couranttunnel, avec application sur la plateforme expérimentale développée au laboratoire Gipsa-lab.Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la commande des systèmes micro et nano-mécatronique,pour des applications en microscopie en champ proche ou dans des systèmes depositionnement ultra-précis. A l'échelle nanométrique, des problèmes de bruits de différentesnatures, vibrations, non-linéarités et instabilité influencent la précision et la qualité de mesuredu système. L'objectif était donc de pouvoir faire face à ces contraintes en utilisant destechniques modernes de commande robuste. Dans cette thèse, un système de mesure à couranttunnel a été modélisé et le problème de contrôle lié aux performances de mesure souhaitées aété formulé. Les performances souhaitées, à savoir la précision de la mesure et le rejet decertaines perturbations avec la robustesse adéquate, ont été atteints en utilisant des lois decommande robuste. Ces lois de commande ont été validées expérimentalement (àl'atmosphère ambiante) sur une plateforme du Gipsa-lab. À la fin de cette thèse, pour uneapplication de scanner de surface à l'échelle atomique, une modélisation dynamique MIMOdu système a été proposée et un régulateur MIMO afin de réduire l'erreur de positionnementdûe au couplage a été validé en simulations. / The objective of this thesis was to control the nano-positioning system using tunneling current with the real-time validation over an experimental platform developed in Gipsa-lab. This thesis lies in the domain of control for micro and nano-mechatronics systems for the applications of scanning probe microscopy and ultra-precise positioning. At nanometer scale, the problems of noise, vibrations, nonlinearity and instability influence the precision of the measurement. The objective was to deal with these constraints by using the modern techniques of robust control. In this thesis, a system of tunneling current measurement has been modelled and the control problem has been formulated in terms of desired measurement performances. Then, robust control design laws are analyzed in order to achieve better performances in terms of measurement precision and rejection of certain disturbances with robustness. These control laws are experimentally validated (at ambient atmosphere) for a platform of Gipsa-lab. At the end of this thesis, a dynamic modelling of MIMO system for an application of scanning the surface with an atomic resolution has been proposed and a MIMO controller in order to reduce the positioning error due to coupling has been validated in simulations.

Les centaines de millions de véhicules du parc automobile mondial nous rappellent à quel point notre société dépend du moteur à combustion interne. Malgré des progrès significatifs en termes d’émissions polluantes et de consommation, les moteurs à essence et diesel demeurent l’une des principales sources de pollution de l’air des centres urbains modernes. Ce constat motive les autorités à renforcer les normes anti-pollution, qui tendent à complexifier la définition technique des moteurs. En particulier, un nombre croissant d’actionneurs fait aujourd’hui, du contrôle de la chaîne d’air, un challenge majeur. Dans un marché de plus en plus mondialisé et où le temps de développement de moteurs se doit d’être de plus en plus court, ces travaux entendent proposer une solution aux problèmes liés à cette augmentation de la complexité. La proposition repose sur une approche en trois étapes et combine : modélisation physique du moteur, contrôle prédictif non linéaire et programmation multiparamétrique. Le cas du contrôle de la chaîne d’air d’un moteur à essence suralimenté sert de fil conducteur au document. Dans son ensemble, les développements présentés ici fournissent une approche quasi-systématique pour la synthèse du contrôle de la chaîne des moteurs à essence suralimentés. Intuitivement, le raisonnement doit pouvoir être étendu à d’autres boucles de contrôle et au cas des moteurs diesel. / The hundreds of millions of passenger cars and other vehicles on our roads emphasize our society’s reliance on internal combustion engines. Despite striking progress in terms of pollutant emissions and fuel consumption, gasoline and diesel engines remain one of the most important sources of air pollution in modern urban areas. This leads the authorities to lay down increasingly drastic pollutant emission standards, which entail ever more complex engine technical definitions. In particular, due to an increasing number of actuators in the past few years, the air path of internal combustion engines represents one of the biggest challenges of engine control design. The present thesis addresses this issue of increasing engine complexity with respect to the continuous reduction in development time, dictated by a more and more competitive globalized market. The proposal consists in a three-step approach that combines physics-based engine modeling, nonlinear model predictive control and multi-parametric nonlinear programming. The latter leads to an explicit piecewise affine feedback control law, compatible with a real-time implementation. The proposed approach is applied to the particular case of the control of the air path of a turbocharged gasoline engine. Overall, the developments presented in this thesis provide a quasi-systematic approach for the synthesis of the control of the air path of turbocharged gasoline engines. Intuitively, this approach can be extended to other control loops in both gasoline and diesel engines.

La chirurgie minimalement invasive est aujourd’hui une thématique de recherche particulièrement active. Un traitement thérapeutique ciblé et la possibilité d’établir un diagnostic précis grâce à l’utilisation de systèmes miniaturisés peuvent considérablement améliorer de nombreuses pratiques médicales. Le recours à des microrobots actionnés à distance et naviguant dans le système cardiovasculaire ouvre de nouvelles perspectives. L’objectif de cette thèse est de proposer un socle théorique solide concernant i) la modélisation d’un microrobot naviguant dans le système cardiovasculaire, ii) l’élaboration de lois de commande et d’observateurs assurant un bon suivi de trajectoire depuis la zone d’injection jusqu’à une zone cible. La modélisation du système fait intervenir de nombreuses forces : forces hydrodynamiques, forces surfaciques (électrostatique, van der Waals, stériques), forces de contact et poids apparent du microrobot. Ce microrobot est contrôlé dans le système cardiovasculaire par l’application de champs ou de gradients de champ magnétique selon le design du microrobot. La prise en compte de l’ensemble des forces aboutit à une représentation d’état sous la forme d’un système non-linéaire affine en la commande avec dérive comportant de nombreux paramètres physiologiques incertains. Une trajectoire de référence optimisée est déduite du modèle. L’approche de commande adoptée est établie à partir de critères de stabilité du système. Le système étant non-linéaire, une commande de type Lyapunov stabilisante est développée suivant une approche de type backstepping. L’estimation de certains paramètres physiologiques est rendue possible par une commande de type backstepping adaptatif. Un observateur grand gain reconstruit l’état complet du système nécessaire au calcul de la commande. La stabilité et la robustesse de l’ensemble sont établies au travers de nombreuses simulations en présence de bruits de mesure et d’erreurs paramétriques. / Minimally invasive medical procedures are currently an active research aera. A drug targeted therapy and the possibility of establishing an accurate diagnosis through the use of miniaturized systems can greatly improve many medical practices. The use of untethered microrobots navigating in the cardiovascular system opens new perspectives. The objective of this PhD work is to provide a theoretical approach on i) the modeling of a microrobot navigating in the cardiovascular system, ii) the development of control laws and observers to ensure a fine tracking from the injection to a target area. Modeling such as system involves many forces : hydrodynamic forces, surface forces (electrostatic, van derWaals, steric), contact forces and apparent weight of the microrobot. This microrobot is controlled in the cardiovascular system by the application of magnetic fields or magnetic field gradients according to the design of the microrobot. The consideration of all the forces leads to a state representation in the form of a nonlinear system with many physiological uncertain parameters, but gives us sufficient informations to plan an optimal trajectory. The control approach is established based on stability consideration. A Lyapunov-stabilizing control is then developed using a backstepping approach. An adaptive backstepping control law estimates some physiological parameters. A high gain observer reconstructs the full state of the system required for implementing the control approach. Robustness and stability of the controller with respect to noise measurement, parameters variations and uncertainties are illustrated by simulations.

Les objectifs scientifiques de ces travaux de thèse reposent sur le développement d’une plateforme robotisée pour la réalisation d’un acte d’échographie à distance. Les contraintes de cet acte médical à distance ont conduit à la réalisation d’un robot sériel à cinq degrés de liberté. La présence d’une singularité centrale a conditionné la proposition d’une loi de commande cinématique pondérée dont l’objectif est d’assurer le meilleur suivi du geste médical et le maintien du plan ultrasonore à l’approche de la singularité. Cette loi de commande est basée sur une combinaison linéaire de l’inverse et de la pseudo-inverse de la matrice jacobienne de base du robot. Les réseaux haut débit sont nécessaires pour l’utilisation de la plateforme télé-opérée afin d’assurer une très bonne qualité des images échographiques reçues par l’expert. Cependant, ils sont soumis à de forts délais de transmission perturbant la stabilité du système robotique et le ressenti des interactions robot/patient. L’architecture de commande bilatérale passive proposée est basée sur le formalisme des variables d’ondes, et inclut les structures mécatroniques des postes maître et esclave, et les caractéristiques des liens de communication. Cette approche garantit, quels que soient les délais de transmission, la stabilité et la transparence de la plateforme télé-opérée. La prise en compte de l’ensemble des caractéristiques mécatroniques de la chaîne télé-opérée a permis de proposer une méthodologie pour l’adaptation d’impédance afin d’améliorer le rendu haptique au niveau du poste maître. Des expérimentations par satellite ont validé l’approche de la structure bilatérale et confirmé la stabilité et la transparence de la chaîne télé-opérée quels que soient les délais de communication. / The scientific objectives of this PhD thesis work are based on the development of a robotic platform used to perform tele-echography act via satellite link. The constraints of the remote tele-echography procedure led to the development of a 5-DOF serial robot. The presence of a central singularity has conditioned the proposal of a weighted kinematic control law to ensure a better monitoring of medical procedure and ultrasonic plan when approaching the singularity. This control law is based on a linear combination of the inverse and pseudo-inverse of the Jacobian matrix. Broadband networks are required to provide high quality ultrasound images to the medical expert. However, they are subject to high transmission delays disrupting the stability of the robotic system and rendering of robot/patient interactions. The passive bilateral control architecture proposed is based on the wave variables approach ; it includes the mechatronic master and slave characteristics, and the communication links characteristics. This approach ensures stability and transparency of the tele-operated platform whatever the transmission time delay. A methodology for impedance matching taking into account the characteristics of mechatronic tele-operated chain has improved haptic rendering at the station master. Satellite experiments have validated the proposed wave variables bilateral structure and confirmed the stability and transparency of the tele-operated chain for any communication delays.