Cette étude est le résultat d’une thèse CIFRE de trois ans entre le bureau d’étude d’Airbus (domaine du contrôle de l’avion) et le laboratoire TéSA à Toulouse. L’objectif principal est de proposer, développer et valider une solution logicielle pour la détection et le diagnostic d’un type spécifique de vibrations des gouvernes de profondeur et direction, appelée oscillation en cycle limite (limit cycle oscillation ou LCO en anglais), basée sur les signaux existants dans les avions civils. LCO est un terme mathématique générique définissant un mode périodique indépendant de conditions initiales et se produisant dans des systèmes non linéaires non conservatifs. Dans cette étude, nous nous intéressons au phénomène de LCO induit par les jeux mécaniques dans les gouvernes d’un avion civil. Les conséquences du LCO sont l’augmentation locale de la charge structurelle, la dégradation des qualités de vol, la réduction de la durée de vie de l’actionneur, la dégradation du confort du poste de pilotage et de la cabine, ainsi que l’augmentation des coûts de maintenance. L’état de l’art en matière de détection et de diagnostic du LCO induit par le jeu mécanique est basé sur la sensibilité du pilote aux vibrations et sur le contrôle périodique du jeu sur les gouvernes. Cette étude propose une solution basée sur les données (issues de la boucle d’asservissement des actionneurs qui agissent sur les gouvernes) pour aider au diagnostic du LCO et à l’isolement du jeu mécanique. L’objectif est d’améliorer encore plus la disponibilité des avions et de réduire les coûts de maintenance en fournissant aux compagnies aériennes un signal de contrôle pour le LCO et les jeux mécaniques. Pour cette raison, deux solutions algorithmiques pour le diagnostic des vibrations et des jeux ont été proposées. Un détecteur en temps réel pour la détection du LCO est tout d’abord proposé basé sur la théorie du rapport de vraisemblance généralisé (generalized likelihood ratio test ou GLRT en anglais). Certaines variantes et simplifications sont également proposées pour satisfaire les contraintes industrielles. Un détecteur de jeu mécanique est introduit basé sur l’identification d’un modèle de Wiener. Des approches paramétrique (estimateur de maximum de vraisemblance) et non paramétrique (régression par noyau) sont explorées, ainsi que certaines variantes des méthodes non paramétriques. En particulier, le problème de l’estimation d’un cycle d’hystérésis (choisi comme la non-linéarité de sortie d’un modèle de Wiener) est abordé. Ainsi, les problèmes avec et sans contraintes sont étudiés. Une analyse théorique, numérique (sur simulateur) et expérimentale (données de vol et laboratoire) est réalisée pour étudier les performances des détecteurs proposés et pour identifier les limitations et la faisabilité industrielle. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus confirment que le GLRT proposé (et ses variantes / simplifications) est une méthode très efficace pour le diagnostic du LCO en termes de performance, robustesse et coût calculatoire. D’autre part, l’algorithme de diagnostic des jeux mécaniques est capable de détecter des niveaux de jeu relativement importants, mais il ne fournit pas de résultats cohérents pour des niveaux de jeu relativement faibles. En outre, des types d’entrée spécifiques sont nécessaires pour garantir des résultats répétitifs et cohérents. Des études complémentaires pourraient être menées afin de comparer les résultats de GLRT avec une approche Bayésienne et pour approfondir les possibilités et les limites de la méthode paramétrique proposée pour l’identification du modèle de Wiener. / This research study is the result of a 3 years CIFRE PhD thesis between the Airbus design office(Aircraft Control domain) and TéSA laboratory in Toulouse. The main goal is to propose, developand validate a software solution for the detection and diagnosis of a specific type of elevator andrudder vibration, called limit cycle oscillation (LCO), based on existing signals available in flightcontrol computers on board in-series aircraft. LCO is a generic mathematical term defining aninitial condition-independent periodic mode occurring in nonconservative nonlinear systems. Thisstudy focuses on the LCO phenomenon induced by mechanical freeplays in the control surface ofa civil aircraft. The LCO consequences are local structural load augmentation, flight handlingqualities deterioration, actuator operational life reduction, cockpit and cabin comfort deteriorationand maintenance cost augmentation. The state-of-the-art for freeplay induced LCO detection anddiagnosis is based on the pilot sensitivity to vibration and to periodic freeplay check on the controlsurfaces. This study is thought to propose a data-driven solution to help LCO and freeplaydiagnosis. The goal is to improve even more aircraft availability and reduce the maintenance costsby providing to the airlines a condition monitoring signal for LCO and freeplays. For this reason,two algorithmic solutions for vibration and freeplay diagnosis are investigated in this PhD thesis. Areal time detector for LCO diagnosis is first proposed based on the theory of the generalized likeli hood ratio test (GLRT). Some variants and simplifications are also proposed to be compliantwith the industrial constraints. In a second part of this work, a mechanical freeplay detector isintroduced based on the theory of Wiener model identification. Parametric (maximum likelihoodestimator) and non parametric (kernel regression) approaches are investigated, as well as somevariants to well-known nonparametric methods. In particular, the problem of hysteresis cycleestimation (as the output nonlinearity of a Wiener model) is tackled. Moreover, the constrainedand unconstrained problems are studied. A theoretical, numerical (simulator) and experimental(flight data and laboratory) analysis is carried out to investigate the performance of the proposeddetectors and to identify limitations and industrial feasibility. The obtained numerical andexperimental results confirm that the proposed GLR test (and its variants/simplifications) is a very appealing method for LCO diagnostic in terms of performance, robustness and computationalcost. On the other hand, the proposed freeplay diagnostic algorithm is able to detect relativelylarge freeplay levels, but it does not provide consistent results for relatively small freeplay levels. Moreover, specific input types are needed to guarantee repetitive and consistent results. Further studies should be carried out in order to compare the GLRT results with a Bayesian approach and to investigate more deeply the possibilities and limitations of the proposed parametric method for Wiener model identification.

Dans l’environnement concurrentiel d’aujourd’hui, la mondialisation des marchés et les enjeux socio-écologiques du développement durable représentent des défis majeurs pour l’industrie automobile. Afin de relever ces défis, les entreprises doivent investir dans des outils de développent plus performants. Pour améliorer la performance d’un moteur thermique en termes de consommation et d’émissions une compréhension enrichie de la boucle d’air autour du moteur et de l’interaction entre ses composants est indispensable Cette thèse suit deux axes de recherche dans ce contexte. Dans un premier temps, les problèmes liés à la modélisation d’une boucle d’air globale sont traités. En particulier, sont modélisés le débit d’air entre les différents sous-systèmes, la combustion en fonction du degré vilebrequin, la pulsation du débit et de la pression et l’estimation de la force aérodynamique sur les vannes des turbocompresseurs à géométrie variable (TGV). Cette étude de modélisation détaillée à été utilisée pour mettre en place un simulateur de la boucle d’air, qui prend en compte ces interactions et qui peut prédire l’influence des sous-systèmes sur la boucle globale. En suite, l’effort de notre recherche a été consacré à la modélisation des actionneurs mécatroniques de la boucle d’air et de leur comportement non linéaire dû au frottement, aux variations de la température, etc. Un modèle dynamique non linéaire à été développé et intégré dans le simulateur. Ce modèle peut être adapté aux plusieurs types d’actionneurs commerciaux. Le simulateur complet à été implémenté sous AMESim pour les modèles du moteur et de la boucle d’air, et sous Simulink pour le contrôle. Les modèles ont été paramétrées selon les spécifications d’un moteur commercial et le simulateur à été validé expérimentalement. Finalement, des lois de commande robustes ont été étudiées pour le contrôle en position (contrôle locale) des actionneurs. Un contrôleur adaptatif à été développé pour garantir la performance des actionneurs malgré des changements dans le frottement, ainsi que dans la charge externe. La performance de toutes les méthodes étudiées, a été validée expérimentalement. / Today’s globally competitive market and its associated environmental and social issues of sustainable development are major challenges for the automobile industry. To meet them, the industry needs to invest in high performance development tools. For improving engine performance in terms of consumption and emission, the interactions between the subsystems of the engine air-path need to be understood. This thesis followed two major axes of research in this context. First, the problems related to the modeling of the global air-path system were studied, which include the airflow characteristics between the different subsystems of the air-path, high frequency combustion modeling and pulsating airflow, and estimation of the exhaust aerodynamic force on the vanes of variable geometry turbochargers (VGT). The detailed modeling study was used for developing an engine air-path simulator, which takes into account these interactions and predicts the influence of subsystems on the global air-path. The second axis of research was focused on modeling of mechatronic actuators of the air-path, taking into account their nonlinear behavior due to friction and changes in operating conditions. A generic nonlinear dynamic model was developed and included in the simulator. This model can be adapted to most commercial actuators. The complete simulator has been implemented using AMESim for engine and air-path modeling, and Simulink for control. It has been parameterized according to the specifications of a commercial diesel engine and validated against experimental data. Finally, robust local controllers were studied for actuator position control, aimed at guaranteeing the performance of the actuators under parametric uncertainty and external disturbances. An advanced controller was developed, which adapts to changes in friction characteristics of the actuator and external load changes. The performance of all controllers has been demonstrated experimentally.

L'intégration des sources d'énergies renouvelables sur le réseau électrique est complexe en raison de leur nature intermittente et décentralisée. Le micro-réseau est une approche prometteuse pour interconnecter des générateurs distribués (DGs) locaux, alimenter des charges locales et également échanger de l'énergie avec le réseau électrique de manière contrôlée. Ce mode de production/consommation locales permet d'éviter la transmission d'électricité sur de longues distances, et implique donc une plus grande efficacité. Ces travaux se concentrent sur l'analyse et le contrôle du micro-réseau continu afin que les DGs se répartissent l'alimentation des charges et qu'ils maintiennent également la tension du bus continu. À l'équilibre, les contraintesde la commande du statisme classique (droop control) pour un système comportant de multiples DGs sont analysés, et une méthode de compensation mixte est proposée pour améliorer simultanément le maintien en tension et le partage du courant de charge. En dynamique, le modèle global du système est construit en introduisant une inductance virtuelle dans le circuit équivalent du DG, puis plusieurs modèles d'ordre réduit sont examinés pour vérifier leur efficacité dans l'analyse de la stabilité du système. Un modèle multi-échelle d'ordre réduit (RMM) est proposé afin de conserver les contraintes temporelles ainsi que de réduire la complexité du système. Enfin, une méthode basée sur le contrôle de rejet de perturbation active (ADRC) est présentée afin de mettre en oeuvre le contrôle local de la tension des DG en prenant en compte l'échelle de temps. Cette méthode permet d'améliorer la dynamique du système de contrôle en ajustant la largeur de bande passante de la commande et de l'observateur. Les analyses et les méthodes de contrôle proposées sont vérifiées par des essais expérimentaux dans notre plateforme au laboratoire. / The direct integration of renewable energy resources to the utility grid is pretty tough due to their intermittent feature and dispersed nature. Microgrid is one promising approach to gather the local distributed generators (DGs), supply local loads as well as exchange power with the utility grid as a controllable unit. This local-generation-localconsumption mode is able to avoid the long distance power transmission, thus can benefit a higher efficiency. The control aim of DC microgrids is to make the multiple DGs share the load properly as well as maintain the DCbus voltage stable. In steady state, the constrains of the classic droop control in multiple DGs environment are analyzed, and a mixed compensation method using common current is proposed to improve the voltage and load sharing performance simultaneously. In dynamic state, the system comprehensive model is constructed by the introduction of virtual inductor in the equivalent circuit of the DG, then several reduced-order models are examined to check their effectiveness for the system stability analysis. A reduced-order multi-scale model (RMM) is proposedto keep major time scale information as well as reduce the system complexity. Finally, an active disturbance rejection control (ADRC) based control method is proposed to realize the time scale droop control. It can effectively adjust the dynamic of the local control by adjusting the bandwidth of the Linear Extend State Observer or/and the controller. The proposed analysis and control methods are verified by experimental tests in our laboratory platform.

Cette thèse traite le problème de l'estimation d'état, du diagnostic et de commande tolérante aux défauts des systèmes non linéaires représentés par un modèle de Takagi-Sugeno (T-S) à variables de prémisse non mesurables. De nombreux algorithmes pour la synthèse d'observateurs robustes vis-à-vis des perturbations, des imperfections de modélisation et des entrées inconnues sont présentés en se basant sur quatre types d'observateurs : les observateurs proportionnels, les observateurs à entrées inconnues, les observateurs proportionnel intégral (PI) et multi-intégral (PMI). Par la suite, ces derniers sont utilisés pour le diagnostic de fautes des systèmes non linéaires. Ceci est réalisé au moyen de trois stratégies. La première utilise l'observateur à entrée inconnue par découplage afin de rendre l'observateur insensible à certains défauts et permettre de détecter et d'isoler les défauts en construisant des bancs d'observateurs. En raison des conditions structurelles souvent insatisfaites, le découplage total des défauts de l'erreur d'estimation d'état n'est pas réalisable. Afin de s'affranchir de ces contraintes, la seconde stratégie utilise les observateurs PI et PMI pour estimer simultanément l'état et les défauts du système. La troisième stratégie qui utilise le formalisme H_inf vise à concevoir un générateur de résidus minimisant l'influence des perturbations et maximisant l'influence des défauts. Un choix adéquat des paramètres du générateur de résidus permet la détection, la localisation et l'estimation des défauts. Enfin, une loi de commande tolérante aux défauts par poursuite de trajectoire d'un modèle de référence est proposée en exploitant les observateurs PI et PMI.

Nous étudions dans cette thèse les problèmes liés à la Commande Globale de Châssis (CGC) automobile. L'objectif est de développer des méthodes pour piloter différents actionneurs du véhicule (suspensions, freinage et direction) afin de les faire collaborer, dans le but d'améliorer le confort et la sécurité, et, de maitriser la dynamique du véhicule. Ce problème est complexe car il implique des dynamiques variées, non linéaires et de fortes contraintes au niveau des actionneurs. Les méthodes et outils utilisés sont issus des récents développements de l'automatique dans le domaine de la commande robuste pour les systèmes linéaires à paramètres variant (LPV). Dans ce contexte, les principaux thèmes développés concernent la modélisation, l'analyse et le contrôle des véhicules automobiles, ainsi que le contrôle robuste des systèmes LPV, utilisant les outils des inégalités linéaires matricielles (LMIs). Les principaux résultats traitent du développement de méthodes LPV pour la synthèse de commande robuste de suspension semi-active et de la synthèse de contrôle global de châssis (CGC) garantissant sécurité et agrément de conduite.

Ce travail de thèse porte sur l'estimation de l'attitude et la commande bornée en attitude d'un corps rigide. L'application « mini hélicoptère à quatre rotors » a été le support pour analyser les apports de nos approches. La première partie de cette thèse est consacrée à la description et la modélisation de l'hélicoptère à quatre rotors. Dans la deuxième partie, nous abordons le problème de l'estimation de l'attitude d'un corps rigide doté d'un ensemble de capteurs GAM (gyromètres, accéléromètres et magnétomètres). Nous proposons un observateur non linéaire afin de fusionner les différents types de mesures. Nous montrons que la dynamique de l'erreur d'observation peut se décomposer en deux sous-systèmes passifs reliés en « feedback ». Cette propriété est utilisée pour montrer que la dynamique de l'erreur d'observation est stable au sens Entrée-Etat (ISS) en considérant une perturbation comme l'entrée et l'erreur d'attitude comme l'état. Une validation avec des données simulées et une implantation en temps réel montrent la capacité et les performances de l'approche<br />proposée. Dans la dernière partie de ce travail, nous établissons une loi de commande bornée pour la stabilisation globale en attitude d'un corps rigide. Dans le schéma proposé, l'attitude est paramétrisée par le quaternion et la loi de commande est basée sur des fonctions de saturation imbriquées. La loi de commande permet de respecter des contraintes liées à la vitesse angulaire. De plus, la stabilité du système en boucle fermée est indépendante des paramètres inertiels du système. La caractéristique principale de l'approche proposée est son extrême simplicité qui autorise son implantation sur des systèmes embarqués où les capacités de calcul sont réduites. Ce résultat est ensuite étendu du corps rigide à l'hélicoptère à quatre rotors. Finalement, la loi de commande et l'observateur non linéaire sont implantés en temps réel et la stabilisation en attitude de l'hélicoptère est réalisée.

Cette thèse concerne principalement l'intégration des fonctionnalités d'un système de vision avec celles d'un système robotique. Cette intégration apporte beaucoup d'avantages pour l'interaction d'un robot avec son environnement. Dans un premier temps, nous nous intéressons aux aspects de modélisation. Deux sujets liés à cette modélisation ont été traités : <br /> i) le calibrage caméra/pince et <br /> ii) la localisation caméra/objet. <br /> Pour le premier, nous proposons une méthode de calibrage non linéaire qui s'avère robuste en présence des erreurs de mesure ; pour le second, nous proposons une méthode linéaire très rapide et bien adaptée aux applications temps-réel puisqu'elle est basée sur des approximations successives par une projection para-perspective.<br /> Dans un deuxième temps, nous nous intéressons au contrôle visuel de robots. Nous adaptons la méthode "commande référencée capteur" à une caméra indépendante du robot asservi. De plus, dans le cas d'un positionnement relatif, nous montrons que le calcul de la position de référence ne dépend pas de l'estimation explicite des paramètres intrinsèques et extrinsèques de la caméra. Pour une tâche donnée, le problème de la commande peut alors se traduire sous la forme d'une régulation d'une erreur dans l'image. Nous montrons que la localisation temps-réel caméra/robot améliore le comportement dynamique de l'asservissement. Cette méthode de contrôle a été expérimentée dans la réalisation de tâches de saisie avec un robot manipulateur à six degrés de liberté. Toutes les méthodes proposées sont validées avec des mesures réelles et simulées.

Il est important que les logiciels pilotant les systèmes critiques (avions, centrales nucléaires, etc.) fonctionnent correctement — alors que la plupart des systèmes informatisés de la vie courante (micro-ordinateur, distributeur de billets, téléphone portable) ont des dysfonctionnements visibles. Il ne s'agit pas là d'un simple problème d'ingéniérie : on sait depuis les travaux de Turing et de Cook que la preuve de propriétés de bon fonctionnement sur les programmes est un problème intrinsèquement difficile.<br /><br />Pour résoudre ce problème , il faut des méthodes à la fois efficaces (coûts en temps et en mémoire modérés), sûres (qui trouvent tous les problèmes possibles) et précises (qui fournissent peu d'avertissements pour des problèmes inexistants). La recherche de ce compromis nécessite des recherches faisant appel à des domaines aussi divers que la logique formelle, l'analyse numérique ou l'algorithmique « classique ».<br /><br />De 2002 à 2007 j'ai participé au développement de l'outil d'analyse statique Astrée. Ceci m'a suggéré quelques développements annexes, à la fois théoriques et pratiques (utilisation de techniques de preuve formelle, analyse de filtres numériques...). Plus récemment, je me suis intéressé à l'analyse modulaire de propriétés numériques et aux applications en analyse de programme de techniques de résolution sous contrainte (programmation semidéfinie, techniques SAT et SAT modulo théorie).

Dans cette thèse, nous développons un système d'asservissement visuel pour une caméra montée sur une tourelle commandable en pan et tilt et embarquée sur un drone. Ceci afin de réaliser des tâches telles que le suivi d'objets fixes et quelconques au sol quels que soient les mouvements du drone. Dans une première partie, un algorithme d'analyse d'image est proposé. Il est basé sur une estimation globale/locale permettant d'estimer la position de l'objet. Dans une seconde partie, une loi de commande classique fonctionnant avec une double boucle d'asservissement est proposée. Pour diminuer le temps de réponse du système, une nouvelle loi de commande sur-échantillonnée utilisant les résultats intermédiaires de l'analyse d'image est proposée. Nous nous intéressons aussi aux problèmes de non-linéarité du système et proposons une solution basée sur un contrôleur LQR. Des simulations et des expérimentations en conditions réelles montrent la validité de notre approche.

Cette thèse s'intéresse au pilotage des cycles limites pour une classe particulière de systèmes hybrides (SDH) : les systèmes commutés cycliques. La thématique des SDH est née du constat d'insuffisance des modèles dynamiques classiques pour décrire les comportements lorsque des aspects évènementiels interviennent. Une classe particulièrement importante de SDH est formée par celle qui présente un régime permanent cyclique. Ces systèmes ont des points de fonctionnement non auto-maintenables : il n'existe pas de commande qui maintienne le système sur ce point. Le maintien n'est assuré qu'en valeur moyenne, en effectuant un cycle dans un voisinage du point par commutation des sous systèmes. L'établissement d'une loi de commutation pour cette classe de systèmes doit répondre aux objectifs de stabilité et de performance dynamique, mais doit également garantir la satisfaction de critères liés à la forme d'onde. A l'heure actuelle, peu de méthodes de commande prennent en compte le caractère cyclique du système. Les travaux de cette thèse ont pour objectif de développer des méthodes génériques et robustes pour piloter cette classe de systèmes. Les algorithmes proposés doivent également pouvoir être implémenté en temps réels. On modélise le système comme un système non - linéaire affine en la commande dont la loi de commande apparait dans le modèle. Ce type de modélisation permet d'envisager deux types de synthèse : l'une à base de commande prédictive et l'autre à base de commande optimale. Ce travail est validé par une partie applicative sur des manipulations dans le CRAN et dans des laboratoires du réseau d'excellence européenne HYCON dans le cadre duquel s'est déroulé cette étude.