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.

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.

Dans cette thèse nous présentons les résultats sur l'emploi des systèmes Hamiltoniens à port et des systèmes de contact commandés pour la modélisation et la commande de systèmes issus de la Thermodynamique Irréversible. Premièrement nous avons défini une classe de pseudo-systèmes Hamiltoniens à port, appelée systèmes Hamiltoniens à port irréversibles, qui permet de représenter simultanément le premier et le second principe de la Thermodynamique et inclut des modèles d'échangeurs thermiques ou de réacteurs chimiques. Ces systèmes ont été relevés sur l'espace des phases thermodynamiques muni d'une forme de contact, définissant ainsi une classe de systèmes de contact commandés, c'est-à-dire des systèmes commandés non-linéaires définis par des champs de contacts stricts. Deuxièmement, nous avons montré que seul un retour d'état constant préserve la forme de contact et avons alors résolu le problème d'assignation d'une forme de contact en boucle fermée. Ceci a mené à la définition de systèmes de contact entrée-sortie et l'analyse de leur équivalence par retour d'état. Troisièmement, nous avons montré que les champs de contact n'étaient en général pas stables en leur zéros et avons alors traité du problème de la stabilisation sur une sous-variété de Legendre en boucle fermée.

De nombreuses applications nécessient l'utilisation de robots de petite taille pour la réalisation de tâches difficiles, dangereuses et inacessibles à l'homme que ce soit pour l'exploration et l'intervention en milieu technologique ou biologique fortement encombré et confiné (canalisations de faible diamètre) ou pour le prélèvement et la manipulation d'objets de faibles dimensions (domaine médical). Le passage de la robotique à la microrobotique par passage aux échelles inférieures de composants déjà existants a montré ses limites au niveau des technologies conventionnelles (elle ne permettent pas un degré de miniaturisation suffisant) ainsi qu'au niveau des principes d'actionnement traditionnels où les efforts moteurs deviennent très faibles. Ces limites imposent de développer des technologies et des principes d'actionnement capables de générer des mouvements et de transmettre des efforts compatibles avec les échelles mises en jeu. Pour répondre aux besoins de microactionnement, les matériaux piézo-électriques, magnétostrictifs ou les polymères et les alliages à mémoire de forme, qualifiés de "matériaux actifs", semblent prometteurs en raison des caractéristiques compatibles avec les forces, les mouvements requis et les possibilités de miniaturisation. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux alliages à mémoire de forme, notés AMF, lesquels, sous certaines conditions thermomécaniques, peuvent transformer une énergie thermique qui lui est fournie en un travail mécanique. Il peuvent ainsi restituer des déformations de l'ordre de 6 à 8 % et générer des efforts relativement importants lorsqu'ils sont chauffés.<br />Ainsi, dans le but de concevoir, dimensionner et commander au mieux de leurs performances de tels microactionneurs, il est tout d'abord nécessaire de disposer d'un certain nombre de connaissances et dedonnées sur ces matériaux. Ceci constitue l'objectif de notre travail de recherche qui s'articule en deux grandes parties. L'objectif de la première partie est l'obtention d'un modèle dynamique prédictif du comportement thermomécanique des AMF. Ce modèle est basé sur l'approche développée par Leclercq et Lexcellent. pour valider ce modèle, des essais thermomécaniques appropriés ont été menés en vue de l'identification des paramètres "matériau" et des simulations ont été effectuées, dont les résultats sont confrontés aux résultats expérimentaux correspondants. La seconde partie est consacrée à l'étude des actionneurs AMF. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux caractéristiques de ces microactionneurs en terme de course disponible, de densité d'énergie, de rendement et de bande passante. Dans un second temps, pour aborder les problèmes de la commande de position et d'effort des actionneurs AFM, nous exploitons des techniques de commande non linéaire, utilisant en particulier l'algèbre de Lie. A partir d'une représentation d'état non linéaire du système, il est possible par une transformation algébrique agissant sur les états de transformer le comportement dynamique d'un système non linéaire en un comportement dynamique partiellement ou totalement linéaire et ainsi maîtriser les performances en boucle fermée du système.

L'objectif de ce travail de thèse est d'évaluer la pertinence et les performances des techniques avancées de commande et d'observation des systèmes non linéaires et de voir si elles rendent possible l'utilisation d'un système électropneumatique haute performance pour le positionnement de gouvernes d'engin aérodynamique. Pour cela un banc d'essai et un benchmark associé ont été réalisés, en collaboration par les laboratoires AMPERE / IRCCyN, par le Laboratoire de Recherche en Balistique et Aérodynamique de la DGA et par MBDA (Groupe EADS). <br />L'étude montre que l'utilisation de commandes non linéaires permet d'obtenir les performances souhaitées. Des commandes non linéaires par modes glissants d'ordre supérieur mono et multi variables sont appliquées sur le système électropneumatique lui assurant une convergence en temps fini et la robustesse face aux incertitudes paramétriques et aux perturbations, ce qui constitue une des principales contributions de ce travail. Par ailleurs, dans le but de minimiser le nombre de capteurs et/ou pallier à leur défaillance, la synthèse d'observateurs pour cette plateforme expérimentale a été étudiée. Ainsi, une étude de l'observabilité, une synthèse d'observateurs à grands gains et par modes glissants a été effectuée.<br />La conclusion de ce travail permet de déterminer qu'il est possible d'utiliser des actionneurs électropneumatiques pour le positionnement d'une gouverne de missile, sous réserve de concevoir des composants intégrables. Cette thèse permet de déterminer les caractéristiques que devront avoir ces composants pour permettre d'obtenir l'ensemble des performances souhaitées.

Le travail présenté dans ce manuscrit s'inscrit dans le cadre de la commande temps réel de certains procédés du raffinage. Nous présentons les travaux réalisés sur la commande monovariable et la gestion des paramètres variables. La première partie des travaux s'est articulée autour de l'étude d'un article apparu en 2003. Nous avons comparé les méthodes de commande monovariable proposées dans cet article avec d'autres méthodes plus communément utilisées. Dans le but améliorer les performances obtenues avec les outils testés, nous avons mis au point un prédicteur de Smith adaptatif dans lequel le retard est mis à jour à partir de considérations physiques d'un procédé d'hydrodésulfuration. Nous nous intéressons aussi au problème ouvert de la commande d'un procédé de mélange, qui comporte plusieurs volumes morts entre les bacs de bases et la mélangeuse. Nous avons montré qu'il était possible de reconstruire, en choisissant un estimateur adapté, les propriétés en sortie de mélangeuse. La méthode a été mise en place et est utilisée sur une mélangeuse réelle. Nous avons également travaillé sur la commande d'un procédé de neutralisation de pH. L'approche que nous avons eue du problème est double. D'un côté, nous avons travaillé directement sur le procédé, de l'autre, nous avons élaboré un modèle non linéaire à partir duquel nous avons mis en place une loi de commande non linéaire. La loi de commande utilisée pour réguler le pH mesuré au pH de consigne intègre les non linéarités du procédé ce qui permet à l'utilisateur de changer de conditions opératoires sans avoir de modifications à apporter aux réglages de celle-ci.

Ce manuscrit présente des résultats de recherche concernant une certaine classe de systèmes hybrides. Les systèmes hybrides peuvent être utilises pour la modélisation de systèmes physiques complexes et hétérogènes dont l’évolution dans le temps présente des phénomènes discrets, tels que les commutations des convertisseurs ou les impacts des systèmes mécaniques. De la même manière, la théorie hybride peut être utilisée pour concevoir des contrôleurs hybrides, en général plus performants par rapport aux contrôleurs a temps continu.Dans ce cadre, les résultats de ce manuscrit peuvent être divises en trois parties. D'abord des résultats de stabilité par rapport à un indice de performance de type Hinfini sont présentes pour une classe plutôt large de systèmes hybrides. Ensuite, nous introduisons de nouvelles architectures de contrôleurs hybrides pour les systèmes à temps continu caractérisées par le fait que leur état peut être réinitialisé en fonction de la trajectoire. Enfin, nous présentons une technique de synthèse convexe pour la conception d'un contrôleur hybride multi-objectif. La comparaison avec les résultats classique met en évidence les avantages en termes de performance par rapport aux contrôleurs a temps continu classiques, tout en préservant la propriété de robustesse et la simplicité de conception.Bien que la théorie hybride soit en plein développement, ces travaux généralisent certains résultats existants, en améliorant la simplicité d’implémentation des solutions grâce à l'utilisation de la programmation semi-definie. En plus les architectures de contrôleurs hybrides présentées ont l'avantage de simplifier la généralisation de quelques résultats classiques concernant la synthèse optimale par rapport à des indices de performance communs. / This dissertation presents some results on hybrid systems. Hybrid systems can be used to model complex physical and heterogeneous systems whose time evolution experiences discrete phenomena, such as commutations in electronic converters or impacts in mechanical systems. In the meantime the hybrid theory can be used to design hybrid controllers which exhibit better performance than the classical continuous-time controllers.In this context, the results in this dissertation can be divided en three parts. First, some stability results with respect to the Hinfinity performance index are presented for a wide class of hybrid controllers. Second, we introduce new hybrid controller architectures for continuous-time systems, where the state of the hybrid controller can be reinitialized depending on the trajectory of the system. Finally, we present a convex synthesis of a multiobjective hybrid controller. The comparisons with the classical results show the improvements that can be achieved with hybrid controllers, maintaining the property of robustness and simplicity of design.Although the hybrid theory is in full development, this work generalizes some existing results by improving the simplicity of their usage by means of semidefinite programming tools. Moreover some hybrid architectures are able to generalize some classic results regarding the optimal synthesis with respect to popular performance indexes.

Le présent ouvrage vise à étudier différents aspects reliés à la commande non-linéaire des bioprocédés et à leur caractérisation, visant leur éventuelle optimisation. Une particularité des bioprocédés est leur tendance à se comporter de manière variable dans le temps : étant constitués d'organismes vivants, ces derniers possèdent par définition une capacité d'adaptation à leur environnement, ce qui crée le phénomène. Côté opérationnel, il existe en plus une limitation face à l'instrumentation disponible. En effet, les équipements rattachés aux bioréacteurs doivent pouvoir tolérer le processus de stérilisation, qui implique l'atteinte de températures élevées (~120°C), et un certain niveau de pression. Enfin, une dernière limitation opérationnelle s'appliquant aux bioprocédés est le faible nombre de variables manipulées, fonction du mode d'opération. Suite à ces constats, plusieurs avenues peuvent être explorées afin de pallier à la situation. De manière générale, l'utilisation du débit de purge (bleed) est proposée comme variable de contrôle en mode perfusion. Une analyse en régime stationnaire est d'abord présentée, suivie du développement d'une stratégie de contrôle non-linéaire adaptative, basée sur les fondements du backstepping, et multivariable (2x2). Cette dernière est ensuite implantée en simulation, afin d'en évaluer la robustesse, la performance, et la sensibilité au bruit de mesure. L'algorithme est par la suite bonifié pour permettre le passage entre les modes perfusion et continu en toute transparence, afin de permettre de réguler les concentrations en biomasse et en substrat sans devoir se soucier si les consignes correspondent à un mode d'opération en particulier. Une méthodologie est par la suite proposée pour régler les paramètres du contrôleur, basée sur la linéarisation du modèle dynamique et le placement de pôles. Des simulations basées sur un modèle tiré de données expérimentales permettent d'en évaluer les performances, la robustesse et la sensibilité au bruit. Les transitions entre les modes d'opération sont ensuite investiguées, afin de vérifier qu'elles ne comportent aucun risque pour le système. Le dernier sujet de cet ouvrage se constitue d'analyses de marquage au carbone 13. Celles-ci permettent le suivi du passage des atomes de carbone à travers le métabolisme, et ainsi valider la présence ou l'absence de certaines voies métaboliques. Ainsi, avec un modèle métabolique plus représentatif de la réalité, des relations plus fiables pourront être tirées entre les flux métaboliques obtenus et la production visée, soit la production d'adénovirus à partir de cellules HEK-293 SF.

Avec la disponibilité de capteurs fiables de teneur en eau exploitant la spectroscopie proche infrarouge (NIR pour near-infrared) et les outils chimiométriques, il est maintenant possible d’appliquer des stratégies de commande en ligne sur plusieurs procédés de séchage dans l’industrie pharmaceutique. Dans cet ouvrage, le séchage de granules pharmaceutiques avec un séchoir à lit fluidisé discontinu (FBD pour fluidized bed dryer) de taille pilote est étudié à l’aide d’un capteur d’humidité spectroscopique. Des modifications électriques sont d’abord effectuées sur le séchoir instrumenté afin d’acheminer les signaux mesurés et manipulés à un périphérique d’acquisition. La conception d’une interface homme-machine permet ensuite de contrôler directement le séchoir à l’aide d’un ordinateur portable. Par la suite, un algorithme de commande prédictive (NMPC pour nonlinear model predictive control), basée sur un modèle phénoménologique consolidé du FBD, est exécuté en boucle sur ce même ordinateur. L’objectif est d’atteindre une consigne précise de teneur en eau en fin de séchage tout en contraignant la température des particules ainsi qu’en diminuant le temps de lot. De plus, la consommation énergétique du FBD est explicitement incluse dans la fonction objectif du NMPC. En comparant à une technique d’opération typique en industrie (principalement en boucle ouverte), il est démontré que le temps de séchage et la consommation énergétique peuvent être efficacement gérés sur le procédé pilote tout en limitant plusieurs problèmes d’opération comme le sous-séchage, le surséchage ou le surchauffage des granules. / The availability of reliable online moisture content measurements exploiting near-infrared (NIR) spectroscopy and chemometric tools allows the application of online control strategies to a wide range of drying processes in the pharmaceutical industry. In this paper, drying of particles with a pilot-scale batch fluidized bed dryer (FBD) is studied using an in-line spectroscopic moisture sensor. Electrical modifications are firstly performed on the instrumented FBD to route measured and manipulated signals to an acquisition peripheral. Then, the design of a human-machine interface allows directly controlling the FBD with a laptop computer. Afterwards, a predictive control algorithm (NMPC), based on an FBD consolidated phenomenological model, is executed in a loop on this same computer. The objective is to reach a specific particle moisture content setpoint at the end of the drying batch while decreasing batch time and limiting particle temperature. Furthermore, the FBD energy consumption is explicitly included in the NMPC objective function. Compared to a typical FBD operation in industry (mostly open-loop), it is shown that the drying time and the energy consumption can be efficiently managed on the pilot-scale process while limiting various operation problems like under drying, over drying, or particle overheating.

Cette thèse se place dans le contexte de la croissance soutenue du trafic aérien. Elle concerne l'assistance automatisée au contrôle du trafic aérien qui vise à augmenter la capacité des secteurs de contrôle en transférant à l'équipage certaines tâches de nos jours dévolues au contrôleur aérien. Il s'agit plus particulièrement de renforcer la coopération entre l'équipage et le contrôleur aérien en vue de faciliter la tache de régulation des flux de trafic aérien. Le travail réalisé dans cette thèse est relatif à la mise en oeuvre de techniques de commande des systèmes non linéaires à plusieurs échelles de temps. Il a été réalisé à l'initiative du Centre d'Etudes de La Navigation Aérienne (CENA) au LAAS du CNRS à Toulouse en collaboration avec l'Ecole Nationale de l'Aviation Civile (ENAC). De manière concrète, il consiste principalement en la synthèse et l'évaluation de lois de guidage permettant la navigation relative entre aéronefs. Ces lois de guidage pourraient être embarquées à bord des aéronefs afin d'aider le contrôleur aérien dans sa tâche de régulation des flux de trafic. Au chapitre II, nous commençons par présenter le contexte actuel du contrôle du trafic aérien et les voies actuelles d'investigation dans le domaine de son automatisation. Cette présentation permet de distinguer deux types de guidage relatif : d'une part le guidage relatif en temps où l'aéronef suiveur vient se placer sur la position qu'occupait le leader quelques minutes plus tôt, et d'autre part le guidage relatif en distance où l'aéronef suiveur vient se placer à une distance donnée du leader. Un état de l'art sur les lois de guidage relatif entre aéronefs est ensuite réalisé au chapitre III. Comme il existe très peu de références bibliographiques dédiées aux lois de commande pour le guidage relatif entre aéronefs de transport commercial, l'état de l'art s'est focalisé sur les lois de commande appliquées au vol en formation d'engins volants, dont le guidage relatif peut être considéré comme un cas particulier (il englobe en plus la phase de rejointe de la formation). Un modèle de synthèse décrivant la dynamique de guidage d'un avion de transport commercial dont les fonctions de pilotage sont automatisées est ensuite proposé au chapitre IV. Ce modèle permet une synthèse hiérarchisée de lois de guidage relatif en s'appuyant sur les fonctions de pilotage classique de l'avion. Après avoir envisagé l'utilisation de lois linéaires de type proportionnelle et dérivée et précisé les objectifs de commande en terme de spécification des modes propres au chapitre V, deux techniques de commande non linéaire sont alors mises en oeuvre : le backstepping et le bouclage linéarisant basé sur la propriété de platitude. Au chapitre VI, deux lois de guidage basées sur la technique du backstepping sont développées. Elles permettent de réaliser un guidage relatif en temps. L'utilisation de cette technique permet de contourner un problème de singularité des lois conçues par des méthodes de type bouclage linéarisant lorsque les écarts sont exprimés dans le repère lié à l'avion suiveur. La loi de guidage basée sur la propriété de platitude du modèle de synthèse est développée au chapitre VII. Elle permet de réaliser un guidage relatif en distance. L'intérêt de cette approche est qu'elle permet de tenir compte de la contrainte d'espacement entre les aéronefs afin de renforcer la sécurité des manoeuvres de guidage relatif. Ces trois approches (loi proportionnelle et dérivée, backstepping et bouclage linéarisant basé sur la platitude) sont évaluées dans un dernier temps au chapitre VIII sur un jeu de scenarii réaliste d'un point de vue contrôle du trafic aérien. Le chapitre IX apporte la conclusion générale à cette thèse : il fait le bilan des résultats obtenus et indique de nouvelles pistes d'investigation dans ce domaine.