L'intégration des liaisons à courant continu dans les systèmes électriques permet d'accroitre les possibilités de pilotage des réseaux, ce qui permet d'en améliorer la sûreté et de raccorder de nouveaux moyens de production. Pour cela la technologie VSC-HVDC est de plus en plus plébiscitée pour interconnecter des réseaux non synchrones, raccorder des parcs éoliens offshore, ou contrôler le flux d'énergie notamment sur des longues distances au travers de liaisons sous-marines (liaison NorNed). Les travaux de cette thèse portent sur la modélisation, la commande non-linéaire et la stabilisation des systèmes VSC-HVDC, avec deux axes de travail. Le premier se focalise sur la conception et la synthèse des lois de commandes non-linéaires avancées basées sur des systèmes de structures variables (VSS). Ainsi, les commandes par modes glissants (SMC) et le suivi asymptotique de trajectoire des sorties (AOT) ont été proposées afin d'assurer un degré désiré de stabilité en utilisant des fonctions de Lyapunov convenables. Ensuite, la robustesse de ces commandes face à des perturbations et/ou incertitudes paramétriques a été étudiée. Le compromis nécessaire entre la robustesse et le comportement dynamique requis dépend du choix approprié des gains. Ces approches robustes, qui sont facile à mettre en œuvre, ont été appliquées avec succès afin d'atteindre des performances dynamiques élevées et un niveau raisonnable de stabilité vis-à-vis des diverses conditions anormales de fonctionnement, pour des longueurs différentes de liaison DC. Le deuxième vise à étudier l'influence de la commande du convertisseur VSC-HVDC sur l'amélioration de la performance dynamique du réseau de courant alternatif en cas d'oscillations. Après une modélisation analytique d'un système de référence constitué d'un groupe connecté à un convertisseur VSC-HVDC via un transformateur et une ligne, un contrôleur conventionnel simple PI est appliqué au niveau du convertisseur du système pour agir sur les oscillations rotoriques de la machine synchrone. Cette commande classique garantie une amélioration acceptable des performances dynamiques du système; surtout pour l'amortissement des oscillations de l'angle de puissance de la machine synchrone lors de défauts.

Les multimodèles sont un moyen d'apporter les problèmes de commande dans le contexte linéaire, tout en assurant la précision de la reproduction du comportement du système dans une large plage de fonctionnement. Dans ce travail, nous avons d'une part mis en œuvre l'approche multimodèles à états couplés par transformation par secteurs non linéaires, et sa commande par compensation parallèle distribuée pour la stabilisation de l'angle de puissance d'un générateur électrique connecté à un bus infini (modèle SMIB). Nous avons comparé les résultats avec ceux obtenus par la commande classique PID. D'autre part, ce travail souligne tout d'abord comment la procédure dite de " backstepping " pour la synthèse d'une loi de commande non linéaire peut être adaptée pour garantir en plus de la stabilité le respect de contraintes de type inégalité sur la sortie utilisée. Cette approche est ensuite illustrée par le problème de commande de l'angle ou de la tension dans le cas du modèle SMIB. Il met aussi l'accent sur certaines caractéristiques des fonctions Barrières utilisées comme un outil de conception pour la commande sous des contraintes de sortie : un simple choix d'une telle fonction pour la conception backstepping avec contraintes asymétriques, une application possible pour les systèmes passifs, et un intérêt particulier pour les systèmes interconnectés. Plusieurs résultats de simulations sont présentés en conséquence.

La commande des actionneurs électropneumatiques a été un sujet largement traité au cours des dernières décennies. Le caractère fortement non-linéaire de son comportement en a fait un cas d'étude particulièrement pertinent dans le cadre d'une démarche d'application de la théorie de la commande des systèmes non-linéaires. L'utilisation de ces techniques a été comparée aux approches linéaires traditionnelles et généralement jugée largement supérieure notamment en termes de précision ou de temps de réponse. Dans ce manuscrit nous abordons très spécifiquement l'aspect multivariable du système et introduisons la transformée A-T, similaire à la transformée de Park appliquée classiquement aux systèmes électriques, afin de donner une forme strict feedback à son modèle d'état, de clarifier les phénomènes physiques mis en jeu lors de sa commande et de distinguer les deux degrés de liberté du système. Cette transformée permet en outre une comparaison directe avec les moteurs électriques décrits dans le repère de Park. Ce parallèle rend notamment possible la solution du problème délicat de l'observation de la position à vitesse nulle en transférant des méthodologies déjà validées sur des systèmes électriques. L'exploitation des deux degrés de liberté est illustrée par la synthèse de lois de commande combinant le suivi d'une trajectoire de position du piston au respect d'un second critère variable (réglage de la pressurisation moyenne, optimisation de la consommation instantanée). L'utilisation d'un actionneur électropneumatique asservi comme actionneur à compliance variable est étudiée. Une loi de commande basée sur la transformée A-T est proposée pour contrôler simultanément la position et la raideur pneumatique de l'actionneur. Une méthodologie de réglage des gains de commande est proposée pour définir l'impédance en boucle fermée du système. L'influence de la raideur pneumatique sur la raideur en boucle fermée est étudiée. L'utilisation d'une source d'énergie alternative (de l'hélium sous pression) est également pour la première fois mise en œuvre. L'influence du changement de gaz sur le dimensionnement de l'actionneur électropneumatique est étudiée et une méthodologie permettant d'utiliser les lois de commande prévues pour de l'air est proposée. L'ensemble des propositions faites dans ce manuscrit est testée et validée sur un banc d'essais à la structure inédite. Ce dernier allie deux actionneurs, l'un électropneumatique (l'actionneur étudié) et l'autre, un moteur plat électrique (l'actionneur de charge). L'utilisation de celui-ci permet la génération d'efforts perturbateurs dans une large bande passante ainsi que la modification en temps réel des paramètres mécaniques dynamiques de la charge.

Les applications mettant en oeuvre les minidrones ont connu un développement très rapide ces dernières années. Ces applications concernent pour beaucoup l'amélioration de notre cadre de vie et principalement de notre sécurité face à des aléas naturels pour lesquels de nouveaux moyens de surveillance ont besoin d'être mis au point. La plupart des missions confiées aux minidrones supposent la réalisation de trajectoires soit planifiées à l'avance, soit définies au fur et à mesure que de nouvelles informations sont disponibles. La qualité du suivi de trajectoire a d'importantes conséquences pour le succès de ces missions. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la synthèse de lois de pilotage/guidage pour les minidrones présentant des performances améliorées sur un domaine de vol étendu et sur une panoplie de missions diversifiées. Ainsi les minidrones sont ici appréhendés comme des systèmes fortement non linéaires, très souvent naturellement instables, aux paramètres physiques partiellement connus et susceptibles d'être soumis à de fortes perturbations. Les travaux de cette thèse portent donc sur la synthèse de lois de commande non linéaire (commande non linéaire inverse, commande différentiellement plate, commande par \emph{Backstepping}) intégrant, dans le cadre de la commande adaptative, des processus d'apprentissage en ligne. Le principal cas d'étude considéré dans cette thèse est celui du guidage d'un minidrone de type quadrirotor qui présente des caractéristiques opérationnelles particulièrement intéressantes : atterrissage et décollage verticaux, capacité de vol stationnaire, grande manoeuvrabilité même à basse vitesse. Ainsi la dynamique de son vol a été modélisée et les propriétés mathématiques du modèle retenu ont été exploitées pour mettre au point la structure de commande dont les performances ont été évaluées par simulation sur une multitude de trajectoires de guidage.

Avec la forte augmentation actuelle et future du trafic aérien, les questions relatives à la capacité, la sécurité et les effets environnementaux du transport aérien vont se poser de façon chaque fois plus critique. L'objectif général de cette thèse est de contribuer à l'amélioration de l'opération et de l'organisation du trafic aérien dans cette perspective de croissance. Le premier objectif spécifique de cette thèse est de faire la synthèse d'une loi de commande permettant aux avions de transport de suivre avec précision une trajectoire 3D+T. Le deuxième objectif spécifique de cette thèse est d'introduire une organisation particulière des corridors aériens, les airstreams, compatible avec la loi de guidage développée et permettant d'utiliser au mieux la capacité du corridor. Ainsi dans une première étape est introduite la dynamique de guidage des avions de transport, ainsi que les systèmes de guidage et de gestion du vol des avions modernes. Ensuite les principaux éléments de l'organisation de la gestion et du contrôle du trafic aérien sont introduits. La loi de guidage 3D+T est développée, simulée et ses performances sont analysées. L'étude d'une manœuvré de changement de voie dans un airstream est alors menée et mise en œuvre dans le cadre de la gestion du trafic à l'intérieur de celui-ci. Finalement les conclusions et perspectives de cette étude sont présentées / With the increase in air traffic, surely a question of flight efficiency (delays), environment impact and safety arise. This calls for improvements in accuracy of spatial and temporal trajectory tracking. The first main objective of this thesis is to contribute to the synthesis of a space-indexed nonlinear guidance control law for transportation aircraft presenting enhanced tracking performances and to explore the performances and feasibility of a flight guidance control law which is developed based on a space-indexed reference to track a 3D+T reference trajectory using nonlinear dynamic inversion control. The proposed guidance control law present reduced tracking errors and able to meet more easily overfly time constraints. Before presenting the main approaches for the design of the 3D+T guidance control laws; the modern flight guidance and flight dynamics of transportation aircraft, including explicitly wind components are first introduced. Then, a description of the current and modern air traffic organization including the organization of air traffic in high density flow will be shown and this will lead to a description of the Airstreams concept. This proposed concept is to organize main traffic flows in congested airspace along airstreams which are characterized by a three dimensional (3D) common reference track (ASRT). Finally, a scenario to perform basic maneuvers inside the airstream following a 3D+T trajectory using a common space-indexed will be developed and will be used to illustrate the traffic management along an airstream.

La propulsion aérobie à grande vitesse est depuis longtemps identifiée comme l'un des prochains sauts technologiques à franchir dans le domaine des lanceurs spatiaux. Cependant, les véhicules hypersoniques (HSV) fonctionnant dans des domaines de vitesse extrêmement élevées, de nombreuses contraintes et incertitudes entravent les garanties des propriétés des contrôleurs. L'objet de cette thèse est d'étudier la synthèse de commande d'un tel véhicule.Pour commencer, il s'agit de définir un modèle représentatif d'un HSV exploitable pour la commande. Dans ce travail, nous construisons deux modèles de HSV. Un pour la simulation en boucle fermée, et le second afin de poser précisément le problème de commande.Nous proposons ensuite une synthèse de commande de la dynamique longitudinale dans le plan vertical de symétrie. Celle-ci est robuste aux incertitudes de modélisation, tolérante à des saturations, et n'excite pas les dynamiques rapides négligées. Ses propriétés sont évaluées sur différents cas de simulation. Puis, une extension est proposée afin de résoudre le problème de commande simultanée des dynamiques longitudinale et latérale, sous les mêmes contraintes.Ce résultat est obtenu par une assignation de fonction de Lyapunov, suite à une étude des dynamiques longitudinale et latérale. Par ailleurs, pour traiter les erreurs de poursuite dues aux incertitudes de modélisation, nous nous intéressons au problème de régulation asymptotique robuste par retour d'état. Nous montrons que cette régulation peut être accomplie en stabilisant le système augmenté d'un intégrateur de la sortie. Ceci constitue une extension de la structure de contrôle proportionnel-intégral au cas des systèmes non linéaires. / High speed airbreathing thrust has been known for a long time as one of the next technological step to be overcome in space launchers domain. However, HyperSonic Vehicles (HSV) speed operating ranges being extremely high, numerous constraints and uncertainties restrict the ensuring of control properties. The purpose of this thesis is to study control synthesis for such a vehicle.First, it concern the definition of a HSV model for controlling purpose. In this work is constructed two HSV models. One in order to effect closed loop simulation, and the other in order to precisely establish the control problem.Then, is proposed a control synthesis for the longitudinal dynamics restricted to the symmetric vertical plane. It is robust to modelling uncertainties, allows saturation, and does not excite neglected fast dynamics. Its properties are evaluated on different cases of simulation. Next, an extension is proposed in order to solve the problem of controlling simultaneously longitudinal and lateral dynamics, under the same constraints.This result is obtained by the use of control Lyapunov functions, following the study of longitudinal and lateral dynamics. Furthermore, in order to solve tracking errors due to modelling uncertainties, the problem of robust asymptotic regulation by state feedback has been addressed. It is shown that such a regulation can be achieved by stabilizing the system augmented by an output integrator. This constitutes an extension for nonlinear systems of the proportional-integral control structure.

D'un point de vue énergétique, les robots marcheurs sont moins performants que les humains. Face à ce défi, cette thèse propose une approche pour contrôler et optimiser les allures de marche des robots bipèdes à la fois en 2D et 3D en considérant les fréquences propres du robot et par ajout de ressorts. L'étude porte essentiellement sur un robot bipède 2D à 5 corps et des pieds ponctuels ainsi qu'un robot bipède 3D à 8 corps avec des pieds sans masse à contact linéique. La commande en boucle fermée considérée est basée sur la méthode des contraintes virtuelles et la linéarisation par retour d'état. Suite à des études précédentes, la stabilité du robot bipède 2D est vérifiée par une section de Poincaré unidimensionnelle et étendue au robot bipède 3D à contact linéique avec le sol. L'optimisation est effectuée en utilisant la programmation quadratique séquentielle. Les paramètres optimisés incluent des coefficients de polynômes de Bézier et des paramètres posturaux. Des contraintes d'optimisation sont imposées pour assurer la validité de l'allure de marche. Pour le robot bipède 2D, deux configurations différentes de ressorts placés aux hanches sont étudiées. Ces deux configurations ont permis de réduire le coût énergétique. Pour le robot bipède 3D, les paramètres d'optimisation sont séparés en deux parties : ceux décrivant le mouvement dans le plan sagittal et ceux du plan frontal. Les résultats de l'optimisation montrent que ces deux types de paramètres doivent être optimisés. Ensuite, des ressorts sont ajoutés respectivement par rapport au plan sagittal, par rapport au plan frontal puis dans les deux plans. Les résultats montrent que l'ajout des ressorts dans le plan sagittal permet de réduire significativement le coût énergétique et que l'association de ressorts dans le plan frontal améliore encore plus la consommation d'énergie. / From an energy standpoint, walking robots are less efficient than humans. In facing this challenge, this study aims to provide an approach for controlling and optimizing the gaits of both 2D and 3D bipedal robots with consideration for exploiting natural dynamics and elastic couplings. A 5-link 2D biped with point feet and an 8-link 3D biped with massless line feet are studied. The control method is based on virtual constraints and feedback linearization. Following previous studies, the stability of the 2D biped is verified by computing scalar Poincaré map in closed form, and now this method also applies to the 3D biped because of its line-foot configuration. The optimization is performed using sequential quadratic programming. The optimization parameters include postural parameters and Bézier coefficients, and the optimization constraints are used to ensure gait validity. For the 2D biped, two different configurations of hip joint springs are investigated and both configurations successfully reduce the energy cost. For the 3D biped, the optimization parameters are further divided into sagittal parameters and coronal parameters, and the optimization results indicate that both these parameters should be optimized. After that, hip joint springs are added respectively to the sagittal plane, the coronal plane and both these planes. The results demonstrate that the elastic couplings in the sagittal plane should be considered first and that the additional couplings in the coronal plane reduce the energy cost even further.

L’objectif de ce travail est de proposer de nouvelles stratégies de commande non linéaire pour la stabilisation des Réacteurs Parfaitement Agités Continus (RPAC). Pour cela, nous utilisons d’une part, l’approche thermodynamique entropique. Plus précisément, nous utilisons la notion de disponibilité thermodynamique et les propriétés de la thermodynamique irréversible pour définir une fonction de Lyapunov utilisable pour la stabilisation du système en boucle fermée. Nous proposons aussi une fonction disponibilité réduite afin d’obtenir des lois stabilisantes plus performantes en terme de sollicitation des actionneurs. D’autre part, nous proposons une extension du formalisme (pseudo) hamiltonien à ports dissipatifs aux réacteurs chimiques ouverts. Nous montrons que l’Hamiltonien est lié à l’enthalpie libre de Gibbs dans le cas isotherme et à l’ectropie (opposée de l’entropie) dans le cas non isotherme. Par ce formalisme, la dissipation du système représente la production irréversible d’entropie due à la réaction chimique. Nous appliquons ensuite les techniques de commande passive (modelage de l’énergie) pour la synthèse de lois de commande en choisissant la disponibilité thermodynamique comme fonction hamiltonienne à modeler en boucle fermée. Finalement, nous montrons que les commandes synthétisées par l’approche thermodynamique entropique et la formulation pseudo-hamiltonienne sont, dans certains cas, équivalentes. Certaines propriétés relatives à la stabilisation et l’admissibilité des commandes sont aussi considérées. Les développements théoriques sont mis en oeuvre sur des exemples différents de RPAC : un réacteur académique et l’hydrolyse par catalyse acide de l’oxirane-méthanol en glycérine. / The goal of this thesis is to propose new nonlinear control strategies for the stabilization of perfectly Continuous Stirred Tank Reactors (CSTR). To achieve this goal, we use on the one hand, the entropic thermodynamic approach. More precisely, we use the thermodynamic availability concept and the properties of irreversible thermodynamics to define a Lyapunov function candidate for the stabilization of the closed loop system. We also propose a reduced availability function to design more efficient feedback laws in term of control variable solicitations. On the other hand, we propose an extension of the (pseudo) Hamiltonian formalism associated to dissipative systems to open chemical reactors. We show that the Hamiltonian is linked to the Gibbs free enthalpy in the isothermal case and to ectropy (opposed to entropy) in the non isothermal case. By this formalism, the dissipation of the system represents the irreversible entropy production due to chemical reaction. The Interconnection and Damping Assignment-Passivity Based Control (IDA-PBC) approach is then applied to synthesize feedback laws by choosing the thermodynamic availability as desired closed loop hamiltonian storage function. Finally, we show that feedback laws synthetized by the entropic thermodynamic approach and the pseudo-hamiltonian formulation are equivalent in some cases. Some stabilization properties and the control input admissibility are also considered. Theoretical developments are illustrated on some different CSTR examples : an academic case study and the acid catalyzed hydration of oxirane-methanol to glycerol.

L’objet de cette thèse est la modélisation et la commande par approche thermodynamique des réacteurs catalytiques triphasiques en mode continu et en mode discontinu. Ce type de réacteur consiste en un système fortement non linéaire, multivariable et siège de réactions exothermiques. Nous utilisons les concepts de la thermodynamique irréversible pour la synthèse de lois de commande stabilisante pour ces deux types de réacteurs chimiques. En effet, la stricte concavité de la fonction d’entropie nous a permis de définir une fonction de stockage qui sert de fonction de Lyapunov candidate : la disponibilité thermodynamique. Nous utilisons cette fonction de disponibilité thermodynamique pour la synthèse de lois de commande stabilisante d’un mini-réacteur catalytique triphasique intensifié continu. Une stratégie de contrôle à deux couches (optimisation et contrôle) est utilisée pour contrôler la température et la concentration du produit à la sortie du réacteur en présence de perturbations à l’entrée du réacteur. Les performances du contrôleur mis en place sont comparées en simulation à celles d’un régulateur PI. Dans certains cas, l’utilisation de la fonction de disponibilité thermodynamique s’avère problématique. Une autre étude effectuée sur cette fonction nous permet de déterminer une nouvelle fonction de Lyapunov : la disponibilité thermique. Nous utilisons par la suite la fonction de disponibilité thermique pour la synthèse de lois de commande stabilisante d’un réacteur catalytique triphasique semi-fermé. Un observateur grand gain est utilisé pour estimer la vitesse de réaction à partir des mesures de la température du milieu réactionnel. Cette estimation est injectée ensuite dans le calcul de la loi de commande mise en place. La robustesse du schéma de contrôle est testée en simulation face à des incertitudes de modélisation, des perturbations et des bruits de mesure. / The goal of this thesis is the modeling and thermodynamic based control of three-phase catalytic reactor working in continuous or discontinuous modes. These types of reactors are highly nonlinear, multivariable and exothermal processes. We use the concepts of irreversible thermodynamics for the synthesis of stabilizing control laws for these two types of chemical reactors. Indeed, the strict concavity of the entropy function has allowed us to define a storage function used as a candidate Lyapunov function: the availability function. We use this availability function for the synthesis of control laws for stabilizing a three-phase catalytic continuous intensified mini-reactor. A control strategy with two layers (optimization and control) is used to control the temperature and concentration of the product at the outlet of the reactor in the presence of disturbances. The performances of the controller are compared by simulation to those of a PI controller. In some cases, the use of the availability function may cause some problems. A new Lyapunov candidate function is then derived from the original availability function: the thermal availability. We use this thermal availability for the synthesis of stabilizing control laws for a three-phase catalytic fed-batch reactor. A high gain observer is used to estimate the chemical reaction rate from the measurements of the temperature. This estimate is then used for the control law implementation. The robustness of the control scheme is tested in simulation against modelling uncertainties, disturbances and noise measurements.

Les simulateurs d'accouchement sont des outils dédiés à la formation du personnel médical en gynécologie obstétrique. Le BirthSIM développé au laboratoire Ampère constitue une interface haptique de simulateur d'accouchement permettant de reproduire divers scénarios d'accouchement et de former les jeunes sages-femmes et obstétriciens aux différents gestes techniques nécessaires dans le cadre de leurs professions. Dans ce manuscrit, les récentes améliorations apportées au prototype du BirthSIM seront présentées. Parmi ces améliorations, deux sont particulièrement remarquables. La première concerne l'augmentation du nombre de degrés de liberté pilotés de l'interface. Ainsi, les travaux ayant permis le passage d'une interface ne comptant qu'un seul degré de liberté à quatre seront détaillés. Le BirthSIM est le seul simulateur d'accouchement qui intègre à la fois des actionneurs électriques et pneumatiques. La seconde évolution concerne le développement de lois de commande permettant d'améliorer le rendu haptique de l'interface. Les lois de commande retenues permettent d'asservir en position le BirthSIM, mais également de régler la raideur de l'interface. Ce réglage de raideur en coordonnées cartésiennes a pour objectif de reproduire le comportement de la tête fœtale en contact avec les tissus mous du bassin au cours d'une contraction. La loi de commande présentée dans ces travaux de thèse est une loi de commande non-linéaire synthétisée par backstepping. En effet, cette méthode permet de prendre en compte les phénomènes non-linéaires agissant sur le comportement des actionneurs pneumatiques. Cette commande, assurant le suivi d'une consigne de position et une modification de la raideur en temps réel à partir d'une stratégie de réglage de gain, a été testée à la fois en simulation et sur le prototype du BirthSIM. Les performances de cette commande sont également comparées à celles de lois de commande plus classiquement utilisées en robotique. / The childbirth simulators are developed for practitioner training in gynecology and obstetrics. The BirthSIM is a haptic interface which simulates various childbirth scenarios to teach obstetricians and midwives the technical delivery gestures. In this work, the latest improvements on the BirthSIM prototype will be presented. Two improvements are especially detailed. The first one consists in adding actuated degrees of freedom to the haptic interface. Thus, the works which have led to a new four degrees of freedom robot are presented. The BirthSIM is the only childbirth simulator which is actuated by electrical and pneumatic actuators. The aim of the second improvement is to synthesize control laws which improve the haptic rendering. The studied control laws allow the haptic interface to be controlled in position and its stiffness to be tuned in real time. This cartesian stiffness tuning is suitable to reproduce the behavior of the fetal head surrounded by the maternal pelvic muscles. The control law presented in this document have been obtained by the non-linear backstepping synthesis. Indeed, the non-linear phenomenons occurring in pneumatic cylinders can be taken into account by this method. The controller obtained in this work allows the BirthSIM end-effector to track a reference position but also allows the robot stiffness to be tuned in real time. The stiffness control is based on a gain tuning strategy. Finally, the performances have been evaluated in simulation and experimental tests. Those performances have also been compared to the other conventional compliant controllers of the robotic field.