L'objectif de cette thèse est de proposer des solutions aux problèmes liés à la commande optimale de systèmes dynamiques multi-agents en présence de contraintes. Des éléments de la théorie de commande et d'optimisation sont appliqués à différents problèmes impliquant des formations de systèmes multi-agents. La thèse examine le cas d'agents soumis à des contraintes dynamiques. Pour faire face à ces problèmes, les concepts bien établis tels que la théorie des ensembles, la platitude différentielle, la commande prédictive (Model Predictive Control - MPC), la programmation mixte en nombres entiers (Mixed-Integer Programming - MIP) sont adaptés et améliorés. En utilisant ces notions théoriques, ce travail de thèse a porté sur les propriétés géométriques de la formation d'un groupe multi-agents et propose un cadre de synthèse original qui exploite cette structure. En particulier, le problème de conception de formation et les conditions d'évitement des collisions sont formulés comme des problèmes géométriques et d'optimisation pour lesquels il existe des procédures de résolution. En outre, des progrès considérables dans ce sens ont été obtenus en utilisant de façon efficace les techniques MIP (dans le but d'en déduire une description efficace des propriétés de non convexité et de non connexion d'une région de faisabilité résultant d'une collision de type multi-agents avec des contraintes d'évitement d'obstacles) et des propriétés de stabilité (afin d'analyser l'unicité et l'existence de configurations de formation de systèmes multi-agents). Enfin, certains résultats théoriques obtenus ont été appliqués dans un cas pratique très intéressant. On utilise une nouvelle combinaison de la commande prédictive et de platitude différentielle (pour la génération de référence) dans la commande et la navigation de véhicules aériens sans pilote (UAVs). / The goal of this thesis is to propose solutions for the optimal control of multi-agent dynamical systems under constraints. Elements from control theory and optimization are merged together in order to provide useful tools which are further applied to different problems involving multi-agent formations. The thesis considers the challenging case of agents subject to dynamical constraints. To deal with these issues, well established concepts like set-theory, differential flatness, Model Predictive Control (MPC), Mixed-Integer Programming (MIP) are adapted and enhanced. Using these theoretical notions, the thesis concentrates on understanding the geometrical properties of the multi-agent group formation and on providing a novel synthesis framework which exploits the group structure. In particular, the formation design and the collision avoidance conditions are casted as geometrical problems and optimization-based procedures are developed to solve them. Moreover, considerable advances in this direction are obtained by efficiently using MIP techniques (in order to derive an efficient description of the non-convex, non-connected feasible region which results from multi-agent collision and obstacle avoidance constraints) and stability properties (in order to analyze the uniqueness and existence of formation configurations). Lastly, some of the obtained theoretical results are applied on a challenging practical application. A novel combination of MPC and differential flatness (for reference generation) is used for the flight control of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs).

Les travaux effectués lors de cette thèse se sont focalisés sur les applications des méthodes et techniques d’Automatique avancée à des problématiques actuelles de l’automobile. Les sujets abordés ont porté sur trois axes fondamentaux en s’appuyant sur des techniques telles que la synthèse H infini LTI et q-LPV, la linéarisation par bouclage dynamique, la retouche de correcteurs de type PI en particulier et l’optimisation des pondérations des filtres nécessaires aux synthèses H infini :• Contrôle de la trajectoire d’un véhicule automobile. Nous avons proposé une structure de commande reprenant une démarche classiquement mise en œuvre dans le milieu aéronautique ou spatial.• Contrôle de la chaîne d’air d’un moteur essence, turbocompressé. Nous avons proposé une formulation novatrice de type q-LPV du modèle du moteur. Cette formulation d’un nouveau modèle de commande nous a permis de synthétiser des correcteurs évolués à paramètres variables qui s’adaptent automatiquement au point de fonctionnement.• Contrôle du freinage d’un véhicule électrique. Pour cette partie, nous avons précisé la motivation et l’intérêt des véhicules électriques, puis étudié le gain d’autonomie potentiellement accessible par la mise en œuvre d’une récupération d’énergie au freinage. Finalement, des solutions permettant de réduire les oscillations induites dans la chaîne de traction par des demandes de couple freineur à la machine électrique ont été développées. / The work achieved in this PhD thesis is dedicated to applications of advanced control methodologies to problems currently faced in the automotive field. Three main areas of investigation were successively considered, using advanced techniques such as H infinity LTI and q-LPV design procedures, dynamic feedback linearization, retuning of controllers, in particular PI-type, and optimization of filters required by the H infinity design procedure:• Trajectory control of automotive vehicle. A control structure has been proposed which is based on the procedure classically developed in the aeronautics field.• Robust nonlinear control of the air path of an internal combustion engine. An innovative q-LPV formulation of the motor has been proposed, which has enabled design of advanced controllers with varying parameters. These parameters are automatically updated according to the operating point.• Optimal control laws for brakes’s torque blending on electrical vehicle. Motivation and interest for electrical vehicle has been first detailed, then potential gain in autonomy due to regenerative braking has been studied. Finally, solutions which reduce oscillations in the power train chain induced by torque demand to the electrical machine during braking phases has been developed.

On considère la synthèse de la commande basée sur un asservissement affecté par des retards. L’approche utilisée repose sur des méthodes ensemblistes. Une partie de cette thèse est consacrée à une conception de commande active pour la compensation des retards qui apparaissent dans des canaux de communication entre le capteur et correcteur. Ce problème est considéré dans une perspective générale du cadre de commande tolérante aux défauts où des retards variés sont vus comme un mode particulier de dégradation du capteur. Le cas avec transmission de mesure retardée pour des systèmes avec des capteurs redondants est également examiné. Par conséquent, un cadre unifié est proposé afin de régler le problème de commande basé sur la transmission des mesures avec retard qui peuvent également être fournies par des capteurs qui sont affectés par des défauts soudains.Dans la deuxième partie le concept d’invariance positive pour des systèmes linéaires à retard à temps discret est exposé. En ce qui concerne l’invariance pour cette classe des systèmes dynamiques, il existe deux idées principales. La première approche repose sur la réécriture d’un tel système dans l’espace d’état augmenté et de le considérer comme un système linéaire. D’autre part, la seconde approche considère l’invariance dans l’espace d’état initial. Cependant, la caractérisation d’un tel ensemble invariant est encore une question ouverte, même pour le cas linéaire. Par conséquent, l’objectif de cette thèse est d’introduire une notion générale d’invariance positive pour des systèmes linéaires à retard à temps discret. Également, certains nouveaux éclairages sur l’existence et la construction pour les ensembles invariants positifs robustes sont détaillés. En outre, les nouveaux concepts d’invariance alternatives sont décrits. / We considered the process regulation which is based on feedback affected by varying delays. Proposed approach relies on set-based control methods. One part of the thesis examines active control design for compensation of delays in sensor-to controller communication channel. This problem is regarded in a general perspective of the fault tolerant control where delays are considered as a particular degradation mode of the sensor. Obtained results are also adapted to the systems with redundant sensing elements that are prone to abrupt faults. In this sense, an unified framework is proposed in order to address the control design with outdated measurements provided by unreliable sensors.Positive invariance for linear discrete-time systems with delays is outlined in the second part of the thesis. Concerning this class of dynamics, there are two main approaches which define positive invariance. The first one relies on rewriting a delay-difference equation in the augmented state-space and applying standard analysis and control design tools for the linear systems. The second approach considers invariance in the initial state-space. However, the initial state-space characterization is still an open problem even for the linear case and it represents our main subject of interest. As a contribution, we provide new insights on the existence of the positively invariant sets in the initial state-space. Moreover, a construction algorithm for the minimal robust D-invariant set is outlined. Additionally, alternative invariance concepts are discussed.

Les travaux présentés ici proposent des convertisseurs d’énergie à haut rendement et très large dynamique de tension d’entrée, c'est-à-dire capables de fonctionner avec un rendement énergétique élevé sur une plage de tension d’entrée étendue (typiquement de 9V à 200V). De multiples tensions de réseaux sont standards dans l’industrie : elles sont spécifiques à un domaine (aéronautique, ferroviaire, …) et dépendent de la source primaire d’alimentation électrique (batterie d’accumulateurs, génératrice, …). Au sein d’un équipement embarqué, plusieurs réseaux peuvent cohabiter : une alimentation principale 110V et une alimentation de secours sur batterie 12V, par exemple. Le besoin de convertisseurs large dynamique d’entrée est donc une réalité, mais il n’existe sur le marché que peu de convertisseurs capables de réaliser une dynamique d’entrée supérieure à dix. Dans un premier temps, nous avons étudié les enjeux et les problématiques liés à la large dynamique d’entrée, afin de mieux cerner les limitations des topologies de puissance classiques. Nous avons ensuite traité le cas d’une architecture de conversion d’énergie de type série, dont nous avons amélioré le rendement énergétique grâce à l’utilisation de circuits d’aide à la commutation. Cette solution ayant des performances limitées, nous avons proposé de nouvelles architectures de convertisseurs DC/DC, de type parallèle, capables de supporter des dynamiques de tension d’entrée supérieures à vingt et ayant un rendement énergétique élevé (supérieur à 80%). Nous avons également étudié et mis en œuvre des stratégies de commande, numériques et analogiques, permettant de contrôler ces nouvelles topologies complexes. / Power converters are present in virtually every embedded system, but many standards of DC networks exist: the supply voltage is depending on how the power is generated (battery, alternator …) and can range from 12V to more than 115V. When an equipment must comply with a 110V main supply and 12V back-up supply, the use of a wide input voltage range DC/DC converter is mandatory. Since classical switched mode power converters cannot achieve simultaneously high efficiency and wide input voltage range, manufacturers rarely propose DC/DC converters with an input voltage range greater than 10. This work tackles the issue of wide input voltage power conversion. After discussing about designs trade off and problems that stem from a wide input range, we try to improve the overall efficiency of a classical buck-boost converter, by using non dissipative switching-aid circuits. We also proposed a novel two stages power converter capable of dealing with very wide input voltage ranges (more than 20), without a reduction of the power efficiency. Since those new converters are far more difficult to control, some theoretical analysis was performed and some practical tests were done using complex controls laws.

Cette thèse s’attache à la maximisation de la consommation du dioxyde de carbone par les microalgues. En effet, suite aux différentes problématiques environnementales actuelles liées principalement aux émissions importantes de gaz à effet de serre et notamment le CO2, il a été démontré que les microalgues jouent un rôle très prometteur pour la bio-fixation du CO2. Dans cette optique, nous nous intéressons à la mise en place d’une loi de commande robuste permettant de garantir des conditions opératoires optimales pour une culture de la microalgue Chlorella vulgaris dans un photobioréacteur instrumenté. Cette thèse repose sur trois axes principaux. Le premier porte sur la modélisation de la croissance de l’espèce algale choisie à partir d’un modèle mathématique traduisant l’influence de la lumière et de la concentration en carbone inorganique total. En vue de la commande, le deuxième axe est consacré à l’estimation de la concentration cellulaire à partir des mesures disponibles en temps réel du dioxyde de carbone dissous. Trois types d’observateurs ont été étudiés et comparés : filtre de Kalman étendu, observateur asymptotique et observateur par intervalles. Le dernier axe concerne l’implantation d’une loi de commande prédictive non-linéaire couplée à une stratégie d’estimation pour la régulation de la concentration cellulaire autour d’une valeur maximisant la consommation du CO2. Les performances et la robustesse de cette commande ont été validées en simulation et expérimentalement sur un photobioréacteur instrumenté à l’échelle de laboratoire. Cette thèse est une étude préliminaire pour la mise en œuvre de la maximisation de la fixation du dioxyde de carbone par les microalgues. / This thesis deals with the optimization of carbon dioxide consumption by microalgae. Indeed, following several current environmental issues primarily related to large emissions of CO2, it is shown that microalgae represent a very promising solution for CO2 mitigation. From this perspective, we are interested in the optimization strategy of CO2 consumption through the development of a robust control law. The main aim is to ensure optimal operating conditions for a Chlorella vulgaris culture in an instrumented photobioreactor. The thesis is based on three major axes. The first one concerns growth modeling of the selected species based on a mathematical model reflecting the influence of light and total inorganic carbon concentration. For the control context, the second axis is related to biomass estimation from the real-time measurement of dissolved carbon dioxide. This step is necessary for the control part due to the lack of affordable real-time sensors for this kind of measurement. Three observers structures have been studied and compared: an extended Kalman filter, an asymptotic observer and an interval observer. The last axis deals with the implementation of a non-linear predictive control law coupled to the estimation strategy for the regulation of the cellular concentration around a value which maximizes the CO2 consumption. Performance and robustness of this control law have been validated in simulation and experimentally on a laboratory-scale instrumented photobioreactor. This thesis represents a preliminary study for the optimization of CO2 mitigation strategy by microalgae.

La voiture autonome pourrait réduire le nombre de morts et de blessés sur les routes tout en améliorant l'efficacité du trafic. Cependant, afin d'assurer leur déploiement en masse sur les routes ouvertes au public, leur sécurité doit être garantie en toutes circonstances. Cette thèse traite de l'architecture de planification et de contrôle pour la conduite automatisée et défend l'idée que l'intention du véhicule doit correspondre aux actions réalisées afin de garantir la sécurité à tout moment. Pour cela, la faisabilité cinématique et dynamique de la trajectoire de référence doit être assurée. Sinon, le contrôleur, aveugle aux obstacles, n'est pas capable de la suivre, entraînant un danger pour la voiture elle-même et les autres usagers de la route. L'architecture proposée repose sur la commande à modèle prédictif fondée sur un modèle bicyclette cinématique afin de planifier des trajectoires de référence sûres. La faisabilité de la trajectoire de référence est assurée en ajoutant une contrainte dynamique sur l'angle au volant, contrainte issue de ces travaux, afin d'assurer que le modèle bicyclette cinématique reste valide. Plusieurs contrôleurs à haute-fréquence sont ensuite comparés afin de souligner leurs avantages et inconvénients. Enfin, quelques résultats préliminaires sur les contrôleurs à base de commande sans modèle et leur application au contrôle automobile sont présentés. En particulier, une méthode efficace pour ajuster les paramètres est proposée et implémentée avec succès sur la voiture expérimentale de l'ENSIAME en partenariat avec le laboratoire LAMIH de Valenciennes. / Autonomous vehicles are believed to reduce the number of deaths and casualties on the roads while improving the traffic efficiency. However, before their mass deployment on open public roads, their safety must be guaranteed at all time.Therefore, this thesis deals with the motion planning and control architecture for autonomous vehicles and claims that the intention of the vehicle must match with its actual actions. For that purpose, the kinematic and dynamic feasibility of the reference trajectory should be ensured. Otherwise, the controller which is blind to obstacles is unable to track it, setting the ego-vehicle and other traffic participants in jeopardy. The proposed architecture uses Model Predictive Control based on a kinematic bicycle model for planning safe reference trajectories. Its feasibility is ensured by adding a dynamic constraint on the steering angle which has been derived in this work in order to ensure the validity of the kinematic bicycle model. Several high-frequency controllers are then compared and their assets and drawbacks are highlighted. Finally, some preliminary work on model-free controllers and their application to automotive control are presented. In particular, an efficient tuning method is proposed and implemented successfully on the experimental vehicle of ENSIAME in collaboration with the laboratory LAMIH of Valenciennes.

Un moteur Ericsson est un moteur alternatif à apport de chaleur externe fonctionnant selon un cyclethermodynamique de Joule. Ce type de moteur est particulièrement intéressant pour la valorisationde certaines "sources chaudes" (l'énergie solaire, la biomasse, les effluents gazeux chauds...).Dans cette thèse, une configuration innovante de moteur est proposée. Celle-ci permet d'une part,de s’affranchir du problème d’étanchéité autour des pistons des moteurs Ericsson, par l'usage despistons liquides en lieu et place des pistons mécaniques et d'autre part, de simplifier le système dedistribution mécanique des moteurs conventionnels par l'usage de soupapes commandéesparticulières, dont l'ouverture est déclenchée par contact avec le piston. Ce type de moteur estadapté pour la production d'électricité de petite puissance (jusqu'à... 10 kW).Trois lois différentes de commande des soupapes du cylindre de détente du moteur à air chaudproposé sont étudiées et leurs influences sur la conception et les performances énergétiques dusystème sont présentées. En raison de la masse importante d'eau dans le système, un modèle quiprend en compte la dynamique des colonnes de liquide est développé. Ce modèle permet de prédireles performances d'un premier prototype expérimental.Un prototype de machine de détente a ensuite été conçu et réalisé dans notre laboratoire. Uneprésentation du prototype et du banc d'essai est faite, et les résultats d'un essai préliminaire sontprésentés. Malgré le caractère préliminaire de ces résultats, ils sont très encourageants car d'unepart, ils n'ont pas révélés de problèmes techniquement délicats à résoudre, et d'autre part ils ontpermis de tirer de nombreux enseignements pour la suite des travaux à mener sur le prototype. / An Ericsson engine is a reciprocating external heat input engine operating on a Joule thermodynamiccycle. This type of engine is particularly interesting for the valorization of certain "hot sources" (solarenergy, biomass, hot gaseous effluents ...).In this thesis, an innovative engine configuration is proposed. This allows, on the one hand, toovercome the problem of tightness around the pistons of Ericsson engines, by the use of liquidpistons instead of mechanical pistons and on the other hand, to simplify the mechanical distributionsystem of conventional engines by the use of particular actuated valves, whose opening is triggered by contact with the piston. This type of motor is suitable for the production of electricity of smallpower (up to... 10 kW).Three different valve command laws for the proposed hot air motor expansion cylinder are studiedand their influences on the design and energy performance of the system are presented. Due to thelarge amount of water in the system, a model that takes into account the dynamics of the liquidcolumns is developed. This model makes it possible to predict the performances of a firstexperimental prototype.A prototype of the expansion machine was then designed and built in our laboratory. The prototypeand the test bench are presented together with the preliminary test results. Despite the preliminarynature of these results, they are very encouraging because, on the one hand, they have not revealedany technically difficult problems to be solved, and on the other hand they have made it possible todraw many lessons for the further work to be done lead on the prototype.

Dans l'industrie sidérurgique, les fours de réchauffage sont les plus grands consommateurs d'énergie après les hauts fourneaux. Réduire leur consommation énergétique est donc la préoccupation majeure de la commande des fours. Dans un four de réchauffage, des brames d'acier sont chauffées en traversant successivement plusieurs zones, de la température ambiante à un profil de température homogène de 1250 °C en sortie du four, avant d’être laminées dans les laminoirs à chaud. La température de brames est contrôlée par une structure de commande hiérarchisée à deux niveaux (niveau 1 et 2).L'objectif de ces travaux est d'améliorer la performance du chauffage et donc de réduire la consommation énergétique du four via une stratégie de commande prédictive distribuée hiérarchisée sur les deux niveaux de commande. Une approche de commande prédictive distribuée est tout d’abord développée pour le niveau 1 afin de suivre les consignes de température de zone, prenant en compte les couplages entre les zones et induisant une moindre complexité d’implantation par rapport à une approche centralisée. L’implantation industrielle a permis une amélioration significative de la précision du suivi de température et une réduction de la consommation d'énergie de 3%. Une deuxième étape propose l’élaboration de la commande prédictive hiérarchisée du niveau 2 afin, à partir de la consigne de température de brame, de déterminer les consignes de température optimales des zones en se fondant sur un modèle de transfert thermique du four. Les résultats de simulation, comparés aux données industrielles, montrent une réduction de la consommation énergétique de 5% et une meilleure qualité de chauffage des brames. L’approche précédente est enfin étendue pour prendre en compte et optimiser le cadencement des brames afin d’augmenter la productivité du four. La simulation montre une augmentation potentielle de productivité du four de 15 tonnes par heure tout en améliorant la qualité de chauffage des brames. / In steel industry, reheating furnaces are the biggest energy consumers after blast furnaces. As a result, reduction of energy consumption is the major concern of furnace control. In a walking-beam slab reheating furnace, steel slabs are heated by moving through successive zones from ambient temperature to a homogenous temperature profile of 1250°C at the furnace exit, to be rolled subsequently in the hot rolling mills. Temperature of slabs is controlled mainly by a two-level hierarchical structure, so called level 1 and level 2.The aim of this thesis is to improve the heating performance and consequently to reduce the energy consumption of the furnace by using hierarchical distributed model predictive control (MPC) strategy for both levels. In a first step, distributed model predictive controllers are developed for the level 1 in order to track zone temperature set-points. The distributed feature of the control law enables to consider coupling effects between zones while reducing the computation complexity compared to a complete centralized approach. The industrial results showed significant improvement on temperature tracking accuracy and an energy consumption reduction of 3%. In a second step, the hierarchical MPC is constructed for the level 2 in order to determine the optimal zones temperature setpoint from the slab temperature setpoint, based on a numerical heat transfer model of the furnace. The simulation results obtained with this strategy compared against industrial data show an energy consumption reduction of 5% and a better heating quality. The previous structure is finally extended to take into account and optimize the scheduling of the slabs within the MPC level 2 in order to increase productivity of the considered furnace. The simulation shows a potential increase of productivity of the furnace of 15 tons per hour while improving the slab heating quality.

L'objectif du travail réalisé dans le cadre de cette thèse est de montrer l'intérêt d'utiliser les FPGAs (Field Programmable Gate Array) comme support pour l'implantation d'algorithmes complexes dédiés à la commande de machines électriques. Pour ce faire, une commande sans capteur mécanique utilisant un filtre de Kalman étendu et basée sur FPGA est réalisée. Cette commande est destinée à piloter une machine synchrone à pôles saillants. Le modèle d-q de la machine basé sur l'approximation d'inertie infinie est implanté. L'ordre du Filtre de Kalman est donc égal à 4 et la complexité totale de la boucle de régulation est évaluée à près de 700 opérations arithmétiques (dont plus de 53% de multiplications). Les apports des solutions FPGAs en termes de performances de contrôle et en termes de capacité d'intégration sont quantifiés.En terme de performances de contrôle, il a été démontré qu'en utilisant de telles solutions matérielles, le temps de calcul est très réduit (de l'ordre de 5µs, 5% de la période d'échantillonnage). Cette rapidité de calcul permet d'avoir un contrôle quasi-instantané ce qui améliore la bande passante de la boucle de régulation. A ce sujet, une comparaison avec les performances obtenues avec une solution logicielle telle que le DSP est effectuée. Dans les deux cas, le comportement dynamique de la boucle de régulation s de vitesse ans capteur est quantifié.En termes de capacité d'intégration, il est possible de développer une architecture commune qui peut être adaptée à plusieurs systèmes. A titre d'exemple, il est possible de développer un filtre de Kalman sur un même FPGA capable d'estimer les grandeurs de plusieurs systèmes sans pour autant affecter les performances de contrôle. En outre, une méthodologie de développement dédiée à de tels algorithmes complexes est proposée. Il s'agit là d'une adaptation des méthodologies proposées dans des travaux de thèse précédents, [62] et [63]. En effet, une étape de spécification préliminaire du système ainsi que des procédures d'optimisation supplémentaires y sont introduites. Ces dernières sont particulièrement nécessaires dans le cas de commandes complexes et permettent une adéquation entre l'algorithme développé et l'architecture FPGA correspondante. De plus, cette méthodologie a été organisée de façon à distinguer l'étape du développement de l'algorithme et l'étape du développement de l'architecture FPGA. Un état de l'art sur les technologies FPGA est également proposé. La structure interne des FPGAs récents est décrite. Leur contribution dans le domaine de la commande des machines électriques est quantifiée. Les différentes étapes de la méthodologie de développement sont présentées. Le développement d'une commande numérique (basée sur FPGA) d'une machine synchrone à aimant permanent associée à un capteur de position Resolver est par la suite traité. Cette application s'inscrit dans un contexte avionique où l'objectif était d'avoir une solution FPGA hautement intégrée. Pour ce faire, le FPGA Actel Fusion est utilisé. Ce composant intègre un convertisseur analogique numérique. La commande, le traitement des signaux Resolver ainsi que la conversion analogique numériques sont implantés sur le même composant.En ce qui concerne la commande sans capteur basée sur le filtre de Kalman étendu, il a été décidé de structurer les chapitres correspondants à travers la méthodologie de développement proposée. Ainsi, la phase de spécification préliminaire du système, la phase du développement de l'algorithme, la phase du développement de l'architecture FPGA et la phase d'expérimentation sont séparément traitées. Durant la phase d'expérimentation, la procédure «Hardware-In-the-Loop (HIL)» est incluse afin de valider le fonctionnement de l'architecture développée une fois la phase d'implantation physique achevée. / The aim of this thesis is to present the interest of using Field Programmable Gate Array (FPGA) devices for the implementation of complex AC drive controllers. The case of a sensorless speed controller using the Extended Kalman Filter (EKF) has been chosen and applied to a Salient Synchronous Machine (SSM). The d-q model based on the infinite inertia hypothesis has been implemented. The corresponding EKF order is then equal to 4 and the complexity of the whole sensorless controller is equal to 700 arithmetic operations (more than 53% of multiplications). The contribution of FPGAs in this field has been quantified in terms of control performances and in terms of system integration. In terms of control performances, the proposed FPGA-based solution ensures a short execution time which is around 5µs (5% of the sampling period). This treatment fastness ensures a quasi-instantaneous control which improves the control bandwidth. To this purpose, a comparison with a software DSP-based solution is made. The dynamic behavior and the influence of the execution time, in both cases, on the control bandwidth have been quantified. In terms of integration capacity, it is possible to implement a generic FPGA architecture that can be adapted to the control of several systems. Thus, it is possible to develop a common EKF architecture that is able to estimate variables from many systems without affecting the control performances.In addition, a design methodology adapted to such complex controllers has been proposed. The particularity of this updated methodology, compared to the previous ones ([62], [63]), is to provide an enlarged set of steps starting from the preliminary system specification to the ultimate experimentation. Optimization procedures have also been introduced. These optimizations are necessary in case of complex controllers and lead to the adequation between the developed algorithm and the corresponding hardware FPGA architecture. A state of the art FPGA technology is also presented. The internal structure of the recent devices and their corresponding technology are discussed. Their contribution in the field of AC drive applications is quantified. An in-depth presentation of the proposed design methodology is made.Besides, the development of a fully integrated FPGA-based controller for a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) associated with a Resolver sensor is presented. This controller has been developed in for an aircraft application where the main objective was to develop a fully integrated FPGA solution. The Actel Fusion FPGA device has been used. This device integrates an Analog to Digital Converter (ADC). The current controller, the Resolver Processing Unit (RPU) and the analog to digital conversion are implemented within the same device. When it comes to the sensorless controller, the corresponding chapters have been structured according to the presented design methodology: the preliminary system specification, the algorithm development, the FPGA architecture development and finally the experimentation. The latter includes Hardware-In-the-Loop (HIL) tests and the final experimental validation.

Le soudage par friction malaxage (FSW) est un procédé de soudage innovant pour les matériaux à bas point de fusion (aluminium, cuivre…). Il a été breveté en 1992 par l’organisme anglais The Welding Institute (TWI). Depuis plusieurs années, celui-ci se développe dans l’industrie en cherchant à réduire son coût d’investissement. Le principe du FSW est de réaliser un cordon de soudure grâce à un outil animé d’un mouvement de rotation et d’avance. Les niveaux d’efforts et de précision requis contraignent à l’utilisation de machines cartésiennes de grande envergure. L’utilisation des robots industriels est un moyen de réduire les coûts, mais ils ne sont pas conçus pour ce genre d’applications et leur inconvénient majeur réside dans leur manque de rigidité. Ainsi, lorsque l’outil entre en contact avec les pièces à assembler, celui-ci peut dévier de plusieurs millimètres dans différentes directions de l’espace, rendant la mise en oeuvre d’une compensation de la trajectoire du robot obligatoire afin d’obtenir des soudures sans défauts. Le but de cette thèse a été de développer un procédé robotisé robuste. Le premier objectif est la mise en oeuvre d’une commande en effort robuste. En effet, en FSW, le maintien d’un effort axial constant est obligatoire. Le contrôle de cet effort permet de compenser la déviation axiale de l’outil et les défauts de mise en position des pièces à souder. Ainsi, une démarche d’identification et de modélisation afin de créer une commande en effort a été mise en oeuvre. La commande est définie de manière robuste afin d’éviter les réglages de l’asservissement lorsque les outils, les paramètres de soudage ou les trajectoires du robot changent. Une validation expérimentale complète a été réalisée dans le contexte du FSW. Le second objectif de cette thèse a été de développer une compensation de la déviation latérale de l’outil. Contrairement à l’objectif précédent, il n’y a pas d’effort à maintenir pour compenser cette déviation latérale. Dans l’industrie, cette déviation peut être compensée à l’aide d’un système de vision, mais ce dernier comporte de nombreux inconvénients en FSW (réflexion de l’aluminium, non visibilité du joint, coût, mise en oeuvre complexe). Ainsi, dans cette partie, un algorithme de compensation temps réel de la déviation latérale de l’outil a été mis en oeuvre. Celui-ci repose sur l’identification d’un modèle élasto-statique du robot. L’algorithme de compensation de la déviation latérale de l’outil a été couplé à la commande en effort et validé expérimentalement en FSW. La différence avec la majorité des travaux de recherche dans ce domaine est que les procédures d’identification n’utilisent pas de système de mesure 3D (photogrammétrie CCD ou laser de poursuite) dont le coût est un frein indéniable pour beaucoup d’industriels. La démarche est simple à mettre en oeuvre sur un robot industriel du marché actuel, et applicable pour d’autres procédés à contact comme l’usinage ou le polissage. / Friction Stir Welding (FSW) is an innovative welding process for materials with a low melting point (aluminium, copper…). It was patented in 1992 by the English organization The Welding Institute (TWI). For many years, an effort is done to reduce the investment cost for industrial applications. FSW process involves a rotating tool advancing along a path. Currently, gantry-type CNC systems are using for FSW manufacturing. These machines offer a high stiffness and can tolerate the forces during FSW in order to carry out a good weld quality. Industrials robots can reduce the investment cost; however they are not design for these applications. The main limitation is the low stiffness of the robot structure. Consequently, the robot deformation under the high process forces causes tool deviations about several millimeters. The robot path has to be compensated in order to obtain a good weld quality. The aim of this thesis is to develop a robust robotized process. The first goal is to realize a robust force control. During FSW, a constant axial forging force should be applied. Axial tool deviation is compensated with the force control approach. In this way, a modeling and identification method is done in order to design a force controller. The force controller is robust because no tuning is required, even if welding parameters or robot paths change. An experimental validation in FSW is done. The second goal is to realize a compensation of the lateral tool deviation. Unlike the axial deformation, there is no force to maintain for compensate this deviation. In industry, the lateral tool deviation could be compensated with a camera or laser sensor in order to track the weld seam path during welding. However, the cost of a seam tracking device, the aluminium reflexion and the lack of visibility in lap joint configuration are significant drawbacks. In this chapter, a compensation algorithm is designed. An elastostatic model of the robot is used to estimate in real time the deflection of the robot TCP. The compensation algorithm is coupled with the force controller defined previously. Compare with others research works about this topic, identification methods don’t need a 3D measurement system (CCD camera or laser tracker). The cost of such system is a main drawback for industrial applications. In this thesis, identification methods are easy to implement in an industrial robot and available for others processes like machining or polishing.