Ce travail concerne la modélisation et la commande non-linéaire d'un hélicoptère drone à modèle réduit (VARIO Benzin-Trainer) en présence de rafales de vent. En ce qui concerne la modélisation, un modèle général et lagrangien à 7 DDL (degrés de liberté) extrait de [Avila Vilchi, 2001] pour l'hélicoptère en mode de vol libre en basse vitesse est utilisé. Ce système sous-actionné possède 4 entrées de commande. Nous avons développé un modèle lagrangien à 3 DDL de l'hélicoptère perturbé monté sur une plate-forme expérimentale. Le nouveau modèle perturbé présente un grand défi à cause du fort couplage entre les entrées de commande et les états du système, de plus ce modèle est sous-actionné. Différentes stratégies de commande sont utilisées pour commander le modèle réduit de l'hélicoptère perturbé à 3 DDL. Des résultats de simulation montre l'efficacité de la commande backstepping qui stabilise le système en suivant une trajectoire et qui rejete parfaitement la perturbation. Une étude en simulation de la robustesse est faite pour cette commande. Pour le modèle général à 7 DDL, une étude de l'équilibre de l'hélicoptère pendant le vol stationnaire est faite. Nous avons ensuite développé le modèle à 7 DDL de l'hélicoptère perturbé par deux types de rafale de vent, verticale et latérale. Contrairement au modèle à 3 DDL, la dynamique de zéros du modèle à 7 DDL est instable. Toutefois, en négligeant les forces de translation d'amplitude faible et les rafales de vent, on peut obtenir un modèle à minimum de phase. Ce dernier nous permet d'utiliser une loi de commande linéarisante approchée AFLC. Pour améliorer la robustesse et la précision de cette commande linéarisante AFLC, on utilise un observateur non linéaire à état étendu et approché AADRC que nous avons développé en se basant sur la méthode de rejet actif de perturbation ADRC et en utilisant le modèle approché. Plusieurs simulations sur le modèle complet montrent alors que l'ajout de cet observateur permet de compenser l'effet des forces de translation d'amplitude faible et des rafales de vent. / The work concerns the modeling and nonlinear control of a scale helicopter model (VARIO Benzin-Trainer) in presence of wind gusts. Regarding modeling, a general 7 DOF (degrees of freedom) lagrangian model extracted from (these_avila) for the free flight mode of a helicopter in low speed is used. This system is underactuated and has 4 control inputs. We have developed a 3 DOF lagrangian model of a helicopter disturbed mounted on an experimental platform. The new disturbed model has a major challenge because the strong coupling between the control inputs and the system states, furthermore this model is underactuated. Different strategies of control are being proposed to control the 3 DOF of disturbed scale model helicopter. Simulation results show the effectiveness of backstepping control which stabilizes the system following a path and completely rejectes the disturbance. A simulation study of robustness is made for this control. For the 7 DOF general model, an equilibrium study of the helicopter is carried out when it is in hovering mode. Then, we developed the 7 DOF disturbed model of the helicopter by two types of wind gust, in vertical or lateral direction. In contrary to the 3 DOF model, the zero dynamics of the 7 DOF model is unstable. However, neglecting the small body forces and the wind gusts, we can obtain a minimum phase model. The latter allows us to use an approached and linearized control laws AFLC. To improve the robustness and precision of this linearized control AFLC, we develope a nonlinear observer with an extended and approached state AADRC based on an active disturbance rejection control. Several simulations on the complete model demonstrates that the addition of the observer compensates the small body forces and the wind gusts.

Cette thèse porte sur la commande d’un photobioréacteur continu pour la culture des microalgues. La modélisation du système et l’identification des paramètres du modèle ont été particulièrement abordées. Les paramètres cinétiques et de transfert de l’énergie lumineuse ont été obtenus à partir des données acquises le long de la phase exponentielle de la culture de Porphyridium purpureum en mode batch sous différentes conditions expérimentales dans un photobioréacteur de 2,5 litres. La concentration en biomasse est la quantité physique la plus importante à réguler. Puisque elle n’est pas toujours facile à mesurer en ligne, un capteur logiciel permettant d’estimer la quantité de biomasse produite à partir des mesures en ligne est proposé. Il s’agit d’un filtre de Kalman étendu (EKF) qui combine le modèle du système avec la mesure de la concentration du carbone inorganique total et d’autres variables physiques (pH, intensité lumineuse,…) afin d’estimer en ligne la concentration de la biomasse. Ce capteur logiciel a été validé expérimentalement en utilisant un nouveau photobioréacteur de 9,6 litres de type colonne à bulles, équipé de plusieurs dispositifs destinés à mettre en place un système de commande et de régulation, et de techniques de mesure permettant d’accéder à l’évolution des principales variables. Plusieurs démarches pour la commande de la culture de microalgues ont été également proposées : commande non-linéaire et linéaire, régulation par PID, commande par modèle générique GMC, commande linéarisante par retour d’état et commande prédictive non-linéaire. Ces différentes commandes ont été mises oeuvre en simulation ce qui nous a permis de choisir les stratégies les plus performantes et de les valider sur le photobioréacteur instrumenté. / This thesis deals with the control of closed microalgal photobioreactor. Mathematical modeling and model parameters identification are particularly approached. The kinetics and light transfer model parameters were obtained by fitting the experimental data acquired along the exponential phase of batch cultivation of Porphyridium purpureum under different conditions in the photobioreactor (2.5 liters). Biomass is one of the most valuable variables to control. Because biomass concentration is very difficult to measure on-line, a software sensor for its estimation is proposed. An extended Kalman filter (EKF) is developed, based on a dynamic process model in combination with total inorganic carbon measurement within an algorithm of state observation. This software sensor leads to good results and was experimentally validated in a new bubble column photobioreactor (9.6 liters) which carried different probes and sensors necessary to implement a control system. Several control strategies for microalgae culture were also proposed: non-linear and linear controllers, PID controller, generic model controller (GMC), input-output linerarizing controller and non-linear predictive controller. We illustrated our approaches with numerical simulations which allowed us to choose the most successful strategies and to validate them on the instrumented photobioreactor.

Un Palier Magnétique Actif (PMA) est un actionneur agissant à distance sur un mobile grâce à des champs électromagnétiques. Les PMA sont essentiellement utilisés pour positionner sans contact les rotors de machines tournantes avec les avantages suivants : augmentation de la vitesse de rotation au delà des 100 000 tr/m, réduction de maintenance (absence de système de lubrification), et introduction dans des environnements spécifiques (haute température, vide). Le balourd (perturbation due à la non coïncidence entre l'axe géométrique et l'axe d'inertie du rotor) provoque une accélération tournante qui s'applique au centre géométrique et modifie la trajectoire désirée. Ce point n'a quasiment pas été traité en non linéaire. Afin de résoudre ce problème, nous avons proposé une nouvelle modélisation du procédé dans laquelle la perturbation est une partie intrinsèque du modèle (grâce à la formulation lagrangienne). Cette méthode a permis d'obtenir plusieurs modèles : de simulation, d'analyse, de commande. Par la suite, nous avons développé une nouvelle technique permettant de contrôler le balourd pour obtenir une rotation soit autour de l'axe géométrique, soit de l'axe d'inertie pour réduire l'énergie consommée. La maîtrise proposée du balourd passe par l'association d'une commande dans un repère fixe et d'une autre dans un repère tournant à la vitesse du rotor. Ces deux commandes décrivent les accélérations nécessaires pour stabiliser le rotor. A partir de ces dernières, l'application d'une transformation non linéaire permet d'obtenir une commande réelle en courant ou en tension. Cette transformation fait appel, d'une part, à la linéarisation entrée-état associée à la passivité, d'autre part aux modes glissants. La dernière partie est consacrée aux simulations ainsi qu'aux essais réels obtenus sur un banc expérimental que nous avons mis en œuvre au cours de la thèse.

Ce travail s'inscrit dans le cadre général de l'observation et de la commande non linéaire de machine asynchrone. Ce mémoire comporte cinq volets. La première partie donne les éléments de modélisation de la machine asynchrone ainsi que sa représentation dans différentes repères de coordonnées. La deuxième partie est dédiée aux observateurs de flux et de couple de charge pour machine asynchrone en vue de bonnes performances dans toute la gamme de vitesse. Nous présentons deux méthodes de synthèse d'observateurs différentes : modes glissants et grand gain de type cascade. La troisième partie est consacrée à la commande; nous nous intéressons plus particulièrement à la commande par modes glissants que nous appliquons au modèle de la machine asynchrone. Dans la quatrième partie, nous effectuons une analyse comparative de quelques lois de commande non linéaires dans le cadre d'un "benchmark" sur un modèle de machine de asynchrone, proposé à la communauté internationale. Nous présentons des résultats de simlation réalistes à l'aide d'un environnement de simulation spécialisé. Le dernier point concerne la partie expérimentale de l'étude. Nous présentons le banc d'essai du Laboratoire d'Automatique de Grenoble, plate-forme semi-industrielle de machine asynchrone. Nous détaillons ensuite l'évaluation expérimentale des observateurs et de certaines lois de commandes proposées, en vue d'une analyse comparative de leurs performances respectives.

Cette thèse a pour but de proposer des lois de commande sans capteur mécanique de la machine asynchrone. Chaque loi de commande élaborée a été validée expérimentalement sur un benchmark industriel, prenant en compte les problèmes de la machine asynchrone à très basse vitesse. L'étude de l'observabilité montre que la machine asynchrone est inobservable à très basse vitesse lorsque la mesure de la vitesse n'est disponible. La synthèse d'observateurs pour la machine asynchrone sans capteur mécanique a été une des contributions principales de nos travaux. Dans un premier temps, un observateur interconnecté à grand gain a été conçu pour reconstruire les variables mécaniques (vitesse, couple de charge) et les variables magnétiques (flux). Dans un second temps un observateur adaptatif interconnecté a été synthétisé pour estimer en plus des variables mécaniques et magnétiques, la résistance statorique paramètre crucial à très basse vitesse. Les résultats sur le benchmark "Observateur sans capteur mécanique" ont montré une amélioration sensible des performances robustes. La conception de commandes non linéaires sans capteur mécanique pour la machine asynchrone constitue la contribution majeure de nos travaux en démontrant la stabilité globale de l'ensemble "Commande+Observateur" et avec validation expérimentale sur le benchmark "Commande sans capteur mécanique". Plusieurs lois de commande ont été conçues et comparées : type PI avec termes non linéaires, type modes glissants d'ordre un, puis d'ordre supérieur et enfin une loi de type backstepping. Ces deux dernières ont de bonnes performances tant en basse vitesse qu'en haute vitesse. Les résultats ont été comparés positivement à ceux d'un variateur industriel sur le benchmark "Commande sans capteur mécanique" : dans la zone inobservable, il est instable contrairement aux lois de commande que nous avons conçues

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.

Les actionneurs électromécaniques sont de plus en plus utilisés dans le domaine de la motorisation. Particulièrement, ils sont employés pour contrôler la boucle d'air du moteur Diesel. De tels actionneurs ont généralement une structure interne très complexe dont les caractéristiques sont protégées par des conventions de confidentialité. Notre travail dans cette thèse vise, en premier, à élaborer des procédures de modélisation et d'identification en prenant en compte une seule source de non linéarité, à savoir les frottements. Deux classes d'actionneurs sont ainsi étudiées et quatre procédures d'identification sont introduites permettant l'estimation des paramètres des systèmes et les coefficients des forces de frottement. Les résultats obtenus sont ensuite utilisés pour développer des simulateurs sous Simulink-MATLAB et AMESim dont la dynamique est expérimentalement validée via LabVIEW. Afin d'évaluer la dégradation des performances due au processus de vieillissement, la seconde partie du travail consiste en la réalisation des études de sensibilité quantifiant l'impact des variations paramétriques sur la réponse des actionneurs. Les techniques d'ANOVA (analyse des variances) et des plans d'expériences sont appliquées, en boucle ouverte et en boucle fermée, aux actionneurs étudiés. Les résultats issus des deux techniques sont cohérents permettant ainsi de valider les études réalisées.La dernière partie du travail a pour objectif l'élaboration de lois de commande robuste vis-à-vis des perturbations et des incertitudes de modélisation. Ainsi, trois stratégies de contrôle sont utilisées : PI-Flou (PI-Fuzzy controller), l'IDA-PBC (Interconnection and Damping Assignment - Passivity Based Control) et le backstepping. Les trois contrôleurs sont testés en présence et en absence d'incertitudes. Leur performance est démontrée en simulation en utilisant Simulink-MATLAB, et expérimentalement via LabVIEW.

Cette thèse fait appel à la commande non linéaire inverse pour faire la synthèse de lois de commande permettant de faire face à deux types de pannes à bord des avions de transport.Il s’agit d’abord de pannes affectant certains actionneurs mais qui ne mettent pas en cause la commandabilité globale de l’avion: cette situation se présentera notamment dans le cas d’une panne isolée dont les effets peuvent être théoriquement compensés compte tenu de la redondance relative de certains actionneurs du point de vue de leurs effets sur la dynamique du vol de l’aéronef. Le problème qui se pose alors est celui de la réaffectation des surfaces de commande de l’avion de façon à maintenir pour celui-ci, lorsque c’est possible, un comportement standard aussi bien en situation d’équilibre qu’en manœuvre. Le cas de panne de ce type considéré dans cette thèse est celui d’un aileron et il s’agira, notamment au cours d’une manœuvre de mise en roulis d’assurer une réponse standard de l’avion. A ce niveau, la recherche de la solution de ce problème nous conduira à allier la commande non linéaire inverse à des techniques classiques de la Programmation Mathématique sollicitées en ligne de façon à tenir compte de toutes les contraintes matérielles et structurales à prendre en compte pour assurer la sécurité de l’avion. Il s’agit d’autre part des pannes affectant l’ensemble d’une chaîne de commande et conduisant à des situations catastrophiques où l’avion n’est plus globalement commandable au sens classique du terme et nécessitant l’interruption immédiate du vol commercial pour rechercher une solution de survie pour les personnes à bord de l’appareil au travers d’un atterrissage d’urgence. Dans cette thèse on considère le cas d’une perte totale de puissance pour les chaînes de commande des gouvernes et on développe une stratégie de retour basée sur une succession de phases de vol auxquelles seront associés des objectifs de commande limités en fonction des possibilités offertes par les seuls actionneurs principaux restants, les moteurs. La aussi, la commande non linéaire inverse jouera un rôle important pour faire la synthèse des éléments de lois de commande permettant d’effectuer les manœuvres essentielles pour mettre l’avion en conditions acceptable d’atterrissage / This thesis uses the nonlinear inverse control technique to synthesize control laws for dealing with two types of failures aboard transport airplanes. The first type of failure affects some actuators without compromising the overall controllability of the airplane: this situation arises particularly in the case of an isolated fault whose effects can theoretically be compensated taking into account the redundancy of actuators in terms of their effects on the dynamics of flight. The problem that arises is the reallocation of control surfaces to maintain for it, when possible, a standard behaviour in both equilibrium and makeover situations. The case of an aileron failure is studied here and a roll manoeuvre is considered for standard response of the aircraft. At this level, looking for the solution of this problem will lead us to combine the nonlinear inverse control technique and classical Mathematical Programming solicited online in order to take account of all material and structural constraints to be taken into account to ensure safety of the aircraft. The second considered type of failure affects an entire chain of command, leading to catastrophic situations where the aircraft is no more controllable in the classical sense and requires the immediate interruption of commercial flight to find a solution for the survival of people on board the aircraft through an emergency landing. In this thesis we consider the case of total loss of power for aerodynamic actuators and we develop a flight safety strategy based on a sequence of flight phases to which are associated limited control objectives based on the few opportunities from the only remaining actuators, the aircraft engines. Here too, the nonlinear inverse control technique plays an important role in the synthesis of control laws essential to put the airplane inacceptable conditions for landing

Dans ce travail, la modélisation, la simulation, l'optimisation dynamique et la commande nonlinéaire d'un procédé industriel de polymérisation en émulsion produisant du polyacétate de vinyle (PVAc) sont étudiées. La réaction est modélisée comme un système à deux phases constitué d'une phase aqueuse et une phase particulaire. Un modèle détaillé est développé pour calculer la masse molaire moyenne en poids, la masse molaire moyenne en nombre et la dispersité. Les moments de chaînes en croissance et terminés sont utilisés pour représenter l'état du polymère et pour calculer la distribution de masse molaire (MWD). L'étude de cas correspond à un réacteur industriel fonctionnant dans une entreprise de produits chimiques à Bogotá. Un réacteur à l'échelle industrielle (11 m3 de capacité) est simulé dans lequel une réaction semi-batch de polymérisation en émulsion de l'acétate de vinyle est effectuée. Le problème d'optimisation dynamique est résolu directement en utilisant un solveur de programmation non linéaire. L'intégration des équations différentielles est faite en utilisant la méthode de Runge-Kutta. Trois problèmes d'optimisation différents sont résolus, depuis le plus simpliste (une seule variable d'optimisation : la température du réacteur) au plus complexe (trois variables d'optimisation : la température du réacteur, le débit de l'amorceur et le débit du monomère) en vue de minimiser le temps final de réaction. Une réduction de 25% du temps de traitement par batchs est réalisée par rapport aux conditions normales de fonctionnement appliquées dans l'entreprise. Les résultats montrent qu'il est possible de minimiser la durée de réaction alors que certaines qualités de polymères souhaitées (conversion, masse molaire et contenu en solides) satisfont les contraintes définies. Une technique de commande non linéaire géométrique à l'aide de la linéarisation entrée/sortie est adaptée à la régulation de la température du réacteur. Un filtre Kalman étendu (EKF) est mis en oeuvre pour estimer les états non mesurés et il est testé dans différents cas, dont une étude de robustesse où des erreurs du modèle sont introduites pour vérifier son bon fonctionnement. Après vérification des performances du régulateur, certains changements d'opération du procédé ont été proposés afin d'améliorer la productivité du procédé et la qualité du polymère. Enfin, le profil de température optimale et les politiques d'alimentation optimales de débits du monomère et de l'amorceur, obtenues dans l'étape d'optimisation dynamique, ont fourni les consignes optimales pour la commande non linéaire. Les résultats montrent que le régulateur non linéaire conçu ici convient pour suivre les trajectoires optimales de température calculées précédemment / In this work, modeling, simulation, dynamic optimization and nonlinear control of an industrial emulsion polymerization process to produce poly-vinyl acetate (PVAc) are proposed. The reaction is modeled as a two-phase system composed of an aqueous phase and a particle phase. A detailed model is used to calculate the weight average molecular weight, the number average molecular weight and the dispersity. The moments of the growing and dead chains are used to represent the state of the polymer and to calculate the molecular weight distribution (MWD). The case study corresponds to an industrial reactor operated at a chemical company in Bogotá. An industrial scale reactor (11 m3 of capacity) is simulated where a semi-batch emulsion polymerization reaction of vinyl acetate is performed. Dynamic optimization problem is solved directly using a Nonlinear Programming solver. Integration of differential equations is made using Runge-Kutta method. Three different optimization problems are solved from the more simplistic (only one control variable: reactor temperature) to the more complex (three control variables : reactor temperature, initiator flow rate and monomer flow rate) in order to minimize the reaction time. A reduction of 25% of the batch time is achieved with respect to the normal operating conditions applied at the company. The results show that is possible to minimize the reaction time while some polymer desired qualities (conversion, molecular weight and solids content) satisfy the defined constraints. A nonlinear geometric control technique by using input/output linearization is adapted to the reactor temperature control. An extended Kalman filter (EKF) is implemented to estimate unmeasured states and it is tested in different cases including a robustness study where model errors are introduced to verify its good performance. After verification of controller performance, some process changes were proposed in order to improve process productivity and polymer quality. Finally, the optimal temperature profile and optimal feed policies of the monomer and initiator, obtained in a dynamic optimization step, are used to provide the optimal set points for the nonlinear control. The results show that the nonlinear controller designed here is appropriate to follow the optimal temperature trajectories calculated previously

Dans ce travail de thèse, on s’intéresse au problème de déplacement et de la localisation d'un robot mobile autonome dans son environnement local. La première partie du manuscrit les deux tâches de mouvement de base : c'est-à-dire, la stabilisation et le suivi de trajectoire. Deux stratégies de commande ont été traitées: le mode de glissement intégral, et la méthode dite «Immersion et Invariance». La deuxième partie porte sur l'asservissement visuel, les deux techniques 2D et 3D d'asservissement visuel ont été appliquées. Les moments d'image ont été choisis comme indices visuels car ils sont moins sensibles au bruit d'image et autres erreurs de mesure. Une nouvelle approche de l'asservissement visuel qui repose sur l'image est ici proposée. Elle est basée sur la génération de trajectoires sur le plan de l'image directement (calcul des valeurs des primitives d’image correspondantes à une trajectoire cartésienne donnée). Cette approche garantit que la robustesse et la stabilité bien connues de l'asservissement 2D ont été étendues en raison du fait que les emplacements initial et désiré de la caméra sont proches. Les trajectoires obtenues garantissent aussi que la cible reste dans le champ de vue de la caméra et que le mouvement du robot correspondant est physiquement réalisable. Des tests expérimentaux ont été effectués et des résultats satisfaisants ont été obtenus à partir des implémentations des stratégies de commande et d'asservissement visuel. Bien qu'ils soient développés et expérimentés dans le cadre spécifique d'un robot de type unicycle, ces travaux sont assez génériques pour être appliqués sur autres types de véhicules. / This thesis focuses on the problem of moving and localizing an autonomous mobile robot in its local environments. The first part of the manuscript concerns two basic motion tasks, namely the stabilization and trajectory tracking. Two control strategies were discussed: the integral sliding mode, and the method known as “Immersion and Invariance” for nonlinear control. The second part focuses on both 2D and 3D visual servoing techniques. Image moments were chosen as visual features as they provide a more geometric and intuitive meaning than other features, and they are less sensitive to image noise and other measurement errors. A new approach to visual servoing based on image is herein proposed. It is based on the generation of trajectories directly on the image plane (Calculation of the image features corresponding to a given Cartesian path). This approach ensures that the robustness and stability are extended due to the fact that the initial and desired locations of the camera are close. The trajectories obtained guarantee that the target remains in the field of view of the camera and the corresponding movement of the robot is physically feasible. Experimental tests have been conducted, and satisfactory results have been obtained from both implementations regarding motion control and visual servoing strategies. Although developed and tested in the specific context of a unicycle type robot, this work is generic enough to be applied to other types of vehicles.