Un des enjeux actuels de la réduction des émissions polluantes pour les véhicules automobiles concerne l'utilisation de moyens de propulsion hybride (électrique+thermique). Les problématiques principales, pour l'automatique, sont alors d'optimiser l'efficacité énergétique globale du véhicule, mais aussi d'améliorer les performances du véhicule hybride. Nous envisageons ici de développer des méthodes de commande robuste dans cet objectif, tout en prenant en compte les contraintes liées à la mise en oeuvre pratique.

L'utilisation de correcteur discret à période d'échantillonnage variable peut être intéressante dans plusieurs cas, par exemple lorsque la mesure, bien qu'envoyée de façon périodique, est reçue à intervalle variable. C'est le cas en milieu marin lorsque la mesure d'altitude est effectuée avec un capteur à ultrason (la durée du trajet du signal dans l'eau dépend de la distance par rapport au fond). Le délai variable entre deux réceptions de mesures, peut être vu comme une variation de période d'échantillonnage pour le contrôleur. La synthèse de lois de commande discrète à période d'échantillonnage variable a déjà été étudiée pour des systèmes stationnaires. On se propose ici d'étendre cette méthode pour des systèmes Linéaires à Paramètres Variants (LPV), qui permettent de conserver des paramètres importants d'un système non-linéaire en temps que paramètres d'un système linéaires. La synthèse de contrôleur repose sur le méthodologie H∞, appliquée aux systèmes LPV. En particulier, on s'intéressera à deux approches existantes dans la littérature : l'approche polytopique (où le paramètre variant évolue dans un volume convexe) et la Représentation Linéaire Fractionnelle (LFR). La méthode proposée est appliquée au contrôle d'un AUV (Autonomous Underwater Vehicle), qui est système difficile à contrôler du fait d'importantes non-linéarités. Des résultats de simulations permettront de montrer l'intérêt de la méthode pour le contrôle d'altitude d'un AUV, et notamment les améliorations apportées par l'ajout de paramètres issus du système non-linéaire au modèle utilisé pour la synthèse des régulateurs.

Th. doct.--Automatique--Paris 9, 1996. / LMI = Linear matrix inequalities. Textes en français ou en anglais. 1996 d'après la déclaration du dépôt légal. Bibliogr. p. 197-209. Résumé en français.

L'utilisation de correcteur discret à période d'échantillonnage variable peut être intéressante dans plusieurs cas, par exemple lorsque la mesure, bien qu'envoyée de façon périodique, est reçue à intervalle variable. C'est le cas en milieu marin lorsque la mesure d'altitude est effectuée avec un capteur à ultrason (la durée du trajet du signal dans l'eau dépend de la distance par rapport au fond). Le délai variable entre deux réceptions de mesures, peut être vu comme une variation de période d'échantillonnage pour le contrôleur. La synthèse de lois de commande discrète à période d'échantillonnage variable a déjà été étudiée pour des systèmes stationnaires. On se propose ici d'étendre cette méthode pour des systèmes Linéaires à Paramètres Variants (LPV), qui permettent de conserver des paramètres importants d'un système non-linéaire en temps que paramètres d'un système linéaires. La synthèse de contrôleur repose sur le méthodologie H∞, appliquée aux systèmes LPV. En particulier, on s'intéressera à deux approches existantes dans la littérature : l'approche polytopique (où le paramètre variant évolue dans un volume convexe) et la Représentation Linéaire Fractionnelle (LFR). La méthode proposée est appliquée au contrôle d'un AUV (Autonomous Underwater Vehicle), qui est système difficile à contrôler du fait d'importantes non-linéarités. Des résultats de simulations permettront de montrer l'intérêt de la méthode pour le contrôle d'altitude d'un AUV, et notamment les améliorations apportées par l'ajout de paramètres issus du système non-linéaire au modèle utilisé pour la synthèse des régulateurs. / Discrete time controller using variable sampling can ba interesting in several cases, for axample when the measure, even if send periodically, is received with a variable interval. This is the case in submarine environement, when the altitude measurement is done using an ultrasonic sensor. Discrete control laws synthesis with variable sampling period have already been studied for LTI systems. The results are here extended to Linear Parameter Varying systems, that allow to keep some non-linearities as parameters of a linear system. In particular, two approaches are investigated : the polytopic and the LFR. The proposed method is applied for the altitude control of an autonomous underwater vehicle (AUV). Simulations results will show the interest of the method, in particular how results are improved by adding some parameters coming from the non linear model.

Un des enjeux actuels de la réduction des émissions polluantes pour les véhicules automobiles concerne l'utilisation de moyens de propulsion hybride (électrique+thermique). Les problématiques principales, pour l'automatique, sont alors d'optimiser l'efficacité énergétique globale du véhicule, mais aussi d'améliorer les performances du véhicule hybride. Nous envisageons ici de développer des méthodes de commande robuste dans cet objectif, tout en prenant en compte les contraintes liées à la mise en oeuvre pratique. / In the recent years, growing public concern has been given both on the energy problem and on the environment problem resulted from dramatically increased vehicles equipped with Internal Combustion Engine (ICE). Subsequently, intensive contributions have been made by the automotive industries and research institutes on vehicles that depend less on the fossil fuels, and introduce less pollutant emissions. This has led to the emergence of environment-friendly and energy-saving vehicles such as the Hybrid Electric Vehicle (HEV) that is usually equipped with one or more additional electric motors and the associated power battery compared with the Conventional vehicles (CVs) propelled solely by the ICE. The key point of an HEV is to design a proper Energy Management Strategy (EMS) that decides how to split the demanded power between the engine and the motor (battery). As the most important and expensive part of an HEV, it is important to take into account battery states, such as battery State of Charge (SOC) and battery ageing, aiming at maintain the optimality of the achieved EMS, as well as prolonging the battery life. In this dissertation, an HEV of parallel structure, which is equipped with a Lithiumion battery is considered. This dissertation is focused on accounting for battery related items, i.e. battery SOC and SOH indicated by battery parameters, in the EMS developments leading to a kind of fault tolerant EMS. Some brief introduction on the control methods and realization approaches involved in this work is presented first, followed by two big parts: the first part is focused on the battery modeling and estimation, while the second part is concerned by the vehicle modeling and few kinds of EMS development methods.

Les exosquelettes représentent des systèmes mécaniques portables qui ont reçu une grande attention de la part de la communauté scientifique ces derrières années, vues les possibilités qu'ils offrent.Ces possibilités concernent principalement les fonctions d'assistance et de réhabilitation des personnes en situation de handicape et personnes âgées, dans un objectif de leur permettre de recouvrir leur facultés motrices. Cependant, d'autres possibilités sont concernées comme permettre à des personnes paraplégiques de remarcher ou de permettre des opérations de manipulation excédent les capacités humaines.Pour permettre la réalisation des fonctions offertes par les robots portables, une connaissance fine de la dynamique du système est requise en relation avec les tâches à réaliser par les sujets. Par ailleurs, des approches de commande sûres qui prennent en compte la sécurité des usagers est nécessaire. Dans cet objectif, des techniques de commande bio-inspirées avec des techniques de commande par découplage non-linéaire sont considérées. Les dernières assurent que la loi de commande est stable et bornée en prenant en considération le domaine de saturation des actionneurs alors que les premières ont inspiré la conception de contrôleurs basés sur les oscillateurs locaux non-linéaires (Central Pattern Generators : CPG).Les CPGs sont modélisés par des réseaux de neurones qui peuvent être représentés par un ensemble d'oscillateurs non-linéaires situés dans la moelle épinière, avec des capacités de génération de signaux rythmiques multidimensionnels synchrones pour remplir des fonctions motrices sous le contrôle de simples signaux de commande. Ces signaux sont supposés être de nature périodique ou semi-périodique, dont la génération pour étudier les systèmes de locmotion humain reste un problème de recherche d'actualité.Dans la présente thèse, l'analyse, la simulation et la commandes des articulations d'un robot portable utilisé pour les membres inférieurs en utilisant, d'un côté les oscillateurs locaux non-linéaires et d'un autre côté des techniques de commande par découplage non-linéaire sont proposés, avec comme objectif final de permtre la mise en œuvre des approches proposées sur la plate-forme expérimentale développée au sein du FSATI (French South African Institute fo Technology).Pour atteindre l'objectif qui a été fixé par les travaux de recherche engagés, une étude de l'état de l'art sur les aspects liés à la connaissance de l'anatomie, la physiologie et l'analyse biomécanique de la marche humaine a été effectuée. Par ailleurs, une étude détaillée des oscillateurs locaux non-linéaires en parallèle avec les approches de commande directe et inverse, ont permis la proposition de stratégies de commande qui couplent les oscillateurs non-linéaires d'un côté et des techniques de découplage non-linéaire d'un autre côté ont été proposées et validées sur des systèmes de plusieurs degrés de liberté. Des simulations intensives ont été conduites afin de vérifier la capacité d'adaptation temps des approches de commandes mises en œuvre avec l'humain ans la boucle.Les contributions de la présente étude concerne deux approches de commande. La première approche concerne l'intégration d'une approche bio-inspirée, basée sur les oscillateurs locaux non-linéaires et la deuxième approche est basée sur les techniques de commande bornée par découplage non-linéaire / Wearable robotic system has become a well sought after mechanism in the field of biomechatronics engineering due to the the various possibilities it possess. These possibilities encompass the assistive and rehabilitative protocols rendered to disabled and elderly people, in order to enable them regain control of their limbs and of course increase the abilities of able-bodied persons. It therefore clearly drives the motive of bringing back paraplegics back on their feet as well as executing difficult task beyond human ability.Achieving the intended function of wearable robots requires the model dynamics of the physical system in relation to the tasks required to be performed by subjects. This demands a proper control measure which takes into account the safety of the wearer. For this purpose, bio-inspired control techniques and bounded nonlinear feedback controllers are considered. The latter control design ensures that the stipulated power required is not exceeded as well as the saturation of the actuator, while the former motivates the design of controllers based on the concept of Central Pattern Generators (CPG). CPGs are characterised as biological neural networks which can be represented by a set of coupled nonlinear oscillator situated in the spinal cord of mammals, having the capability of generating coordinated multidimensional rhythmic signals for the purpose of locomotion, under the control of simple input signals. These rhythmic signals are termed to be periodic or quasi-periodic in nature, hence performing this task in robotics and animal motor control has been a perpetual research problem. The movement of the lower limb of humans thus present a platform to investigate and address this difficulty.In this thesis, the analysis, simulation, and control of joints which relate to the human lower limbs via CPGs and feedback control techniques are investigated with an aim of practically implementing the control strategies using a lower limb exoskeleton is presented. To accomplish this goal, it is expedient to have comprehensive knowledge of the anatomy, physiology and the normal gait biomechanics of the human lower limbs. Understanding the theories, principles and mathematical background of nonlinear oscillators are also required. Control strategies using the inverse and the forward dynamics approach based on different types of coupled nonlinear oscillators and nonlinear feedback control techniques were considered for single/multiple degrees of freedom (DoF). Simulations and results were presented to verify the controller-human system ability to constantly and dynamically track and readapt its control parameters to maintain its desired motion dynamics, with reduced control torque values.This work basically deals with two distinct method of control systems; one which integrates bio-inspired methods with classical and nonlinear control techniques to govern the exoskeletons' joints with a human in the loop, and another which utilises bounded nonlinear feedback control techniques for same purpose

L’utilisation des AUV pour une exploitation durable des ressources océaniques est pertinente. Un robot sous-marin peut être utilisé comme plateforme pour observer, recueillir des informations sur l’environnement marin. Afin d’améliorer la qualité des observations et d’augmenter la capacité de navigation, de nombreuses questions doivent être abordées et examinées simultanément. Nous abordons ici le problème du pilotage de ces robots autonomes.Atteindre la maniabilité nécessaire dépend de deux facteurs clés: un modèle hydrodynamique précis et un système de contrôle performant. Cependant, le coût de développement d’un modèle précis est généralement très élevé. De plus, lorsque la géométrie du robot est complexe, il devient très difficile d’identifier de manière pertinente les paramètres dynamiques et hydrodynamiques. En outre, du point de vue de la commande, les modèles obtenus sont non linéaire, en particuliers pour les amortissements.De nombreux phénomènes dynamiques ne sont pas modélisés: dynamiques internes au robot, environnementales, liées aux bruits des capteurs, aux retards intrinsèques. Dans les concours de robotique sous-marine, il est confirmé que le traditionnel régulateur Proportionnel-Intégral-Dérivé (PID) est peu efficace pour les robots légers. Dans ce cas, notre champ d’application est plus axé sur la combinaison des approches de modélisation numérique et la commande robuste.Dans ce travail, nous proposons un schéma de régulation basé sur la commande robuste et la modélisation. La régulation robuste a été mise en place et validée en mer sur un AUV de la marque CISCREA et la solution proposée utilise Computational Fluid Dynamic (CFD) pour caractériser les deux paramètres hydrodynamiques (matrice de masse ajoutée et matrice d’amortissement). Puis un modèle à quatre degrés de liberté est construit pour le CISCREA. Les résultats numériques et expérimentaux sont alors comparés.La commande robuste proposée est basée sur une compensation non linéaire et de la commande H∞. La validation de la robustesse a été testée par simulation en Matlab et finalement validée par des essais en mer à Brest. La simulation et l’expérience montrent que l’approche en plus d’être robuste est plus rapide que les régulateurs précédemment proposés. / Autonomous Underwater Vehicle (AUV) is a relevant technology for the sustainable use of ocean resources. AUV can be used as an important ocean observing platform to collect information on marine environmental characteristics for research and industry fields. In order to improve the observation quality and increase the navigation ability, many issues should be addressed and considered simultaneously. Achieve necessary maneuverability depends on two key factors: an accurate hydrodynamic model and an advanced control system. However, the cost to develop an accurate hydrodynamic model, which shrinks the uncertainty intervals, is usually high. Meanwhile, when the robot geometry is complex, it becomes very difficult to identify its dynamic and hydrodynamic parameters. In addition, according to the quadratic damping factor, underwater vehicle dynamic and hydrodynamic model is nonlinear from the control point of view. Moreover, unmodeled dynamics, parameter variations and environmental disturbances create significant uncertainties among the nominal model and the reality. Sensor noise, signal delay as well as unmeasured states also affect the stability and control performance of the motion control system. In many of our underwater competitions, it has been confirmed that the traditional Proportional-Integral-Derivative (PID) regulation is less efficient for low mass AUV. In this case, our scope is more focused on the combination of numerical modeling approaches and robust control schemes. In this work, we proposed a model based robust motion control scheme. Without loss of generality, a robust heading controller was implemented and validated in the sea on cubic-shaped CISCREA AUV. The proposed solution uses cost efficient Computational Fluid Dynamic (CFD) software to predict the two hydrodynamic key parameters: The added mass matrix and the damping matrix. Four Degree of Freedom (DOF) model is built for CISCREA from CFD calculation. Numerical and experimental results are compared. Besides, the proposed control solution inherited the numerically obtained model from previous CFD calculation. Numerically predicted the actuator force compensates the nonlinear damping behavior result in a linear model with uncertainties. Based on the bounded linear nominal model, we proposed H∞ approach to handle the uncertainties, we used kalman filter to estimate unmeasured states such as angular velocity and we developed smith compensator to compensate the sensor signal delay. The proposed robust heading control application uses only one compass as feedback sensor. This is important while AUV is working at certain depth where only magnetic sensors still work. Our robust control scheme was simulated in Matlab and validated in the sea near Brest. Simulation shows obvious advantage of the proposed robust control approach. Meanwhile, the proposed robust heading control is much faster than PID controller. The robust controller is insensitive to uncertainties and has no overshot. From both simulations and real sea experiments, we found our proposed robust control approach and the one compass heading control applications are efficient for low mass and complex-shaped AUV CISCREA.

Cette thèse traite de la modélisation et la commande de l'anesthésie sous un angle théorique et formel. L'anesthésie générale d'un patient au cours d'une opération consiste pour le médecin anesthésiste à contrôler l'état d'endormissement et d'analgésie du patient (éviter un sur ou un sous dosage) en ajustant la perfusion des substances analgésiques et/ou hypnotiques en fonction d'indicateurs cliniques tels que le BIS pour l'hypnose ou la variation de la surface pupillaire pour l'analgésie. Ce manuscrit se compose de trois parties. La première définit les concepts et mots clés utilisés dans le domaine de l'anesthésie, présente une introduction à la modélisation et la commande de l'anesthésie d'un point de vue de l'ingénierie des systèmes, rappelle les caractéristiques et contraintes de la commande des systèmes d'anesthésie et établit un état de l'art des travaux de la littérature. La seconde partie concerne la commande de l'hypnose qui est effectuée en deux phases : induction puis maintenance. Dans la première phase (induction) une commande en temps minimal est calculée pour ramener le patient de son état de réveil vers le voisinage d'un point cible correspondant à un objectif du BIS. Une fois l'état du patient proche de l'état cible, la deuxième phase (maintenance) consiste à garantir que l'état du patient reste dans un ensemble où le BIS est garanti entre 40 et 60 et, éventuellement, suit des références constantes. Dans cette phase, la synthèse des lois de commandes (de type retour d'état et retour de sortie dynamique) prend en compte la saturation de la commande, la positivité du système, la variabilité des patients, ... Dans la troisième partie, on commence par la proposition d'un nouvel indicateur pour la profondeur de l'analgésie et d'une modélisation de la variation de la surface pupillaire. Compte tenu de la quantification de la mesure de cet indicateur, on propose la synthèse d'un retour de sortie dynamique. Ensuite, on fait une analyse de stabilité prenant en compte l'échantillonnage de la mesure. / This thesis deals with the modelling and control of anesthesia from a theoretical and formal angle. The general anesthesia of a patient during an operation consists for the anesthesiologist in checking the hypnotic and analgesic state of the patient (avoid over or under dosage) by adjusting the perfusion of analgesic and/or hypnotics substances based on clinical indicators such as BIS for hypnosis or pupillary surface variation for analgesia. This manuscript consists of three parts. The first defines the concepts and key words used in the field of anesthesia, presents an introduction to the modelling and control of anesthesia from the viewpoint of a control systems engineering, recalls the characteristics and constraints of control of the anesthesia systems and establishes a state of the art of works of the literature. The second part concerns the control of hypnosis which is performed in two phases : induction and maintenance. In the first phase (induction), a minimal time control is calculated to bring the patient from his awakening state to the neighbourhood of a target equilibrium corresponding to an objective of the BIS. Once the patient state is close to the target state, the second phase (maintenance) consists in ensuring that the patient state remains in an invariant set where the BIS is guaranteed between 40 and 60 and possibly follows constant references . In this phase, the synthesis of the control laws (state feedback and dynamic output feedback) takes into account the saturation of the control, the positivity of the system, the variability of the patients, ... In the third part, we begin by proposing a novel indicator for the depth of analgesia and modelling the variation of the pupillary surface. Taking into account the quantification of the measures of this indicator, we propose the synthesis of a dynamic output feedback control. Then, a stability analysis is carried out taking into account the sampling of the measures.

Les Tryphons, tout comme leurs prédécesseurs du projet [ VOILES / The Tryphons and their predecessors from the [ VOILES | SAILS ] project are large cubic indoor blimps used autonomously or in remote control mode. Each of these aerobot is equipped with a main micro-computer on-board, a variety of sensors and a wireless communication interface. From a mechanical engineering point of view, the unique shape of these robots and the constraint of their original application field makes them the subject of a novel development path in the study of the dynamics and the flight control. Among the issues that this study had to deal with the focus was put on circuits, wires and connectors reliability, batteries manipulation and fixation while hovering above people, complex manual equilibration of the yaw and pitch moments, complex calibration of the controller's parameters before each performance. The research performed during this Master's degree focused on three main objectives: 1. To develop a numerical dynamic model of the robots in order to determine the critical aspects of the design and how to enhance their robustness. 2. To analyze the electromechanical components of the robots and to modify their design to allow long-lasting and repetitive public performances. 3. To select the appropriate optimal method of positioning in an indoor theater environment for robustness and maximum autonomy. This study demonstrates that the mechanical robustness of these aerobots can be achieved by a new design of the circuits and of the wiring, which integrates them to the structure, and by new custom battery fixations. For the control robustness, a modular approach led to multiple user-selectable controllers. The user can choose a controller and adapt its parameters to find the best fit for each specific situation. A new controller was also developed, which ensures a complete control of the six degrees of freedom by dead reckoning. This was achieved through the use of accelerometers, 3 axis magnetometer, an altimeter and a camera. / Les Tryphons, tout comme leurs prédécesseurs du projet [ VOILES | SAILS ], sont des aérostats intérieurs de forme cubique, autonomes ou pilotés. Ils sont tous équipés d'un micro-ordinateur de bord, de différents capteurs et d'une interface de communication sans fil. D'un point de vue mécanique, la géométrie unique et le domaine d'application original des Tryphons en font un sujet de recherche nouveau pour l'étude de la dynamique du vol et de son contrôle. Parmi les problèmes concernés par cette étude, l'emphase a été portée sur la fiabilité des circuits, câbles et connecteurs, la manipulation et la fixation des batteries pour des vols au-dessus d'une foule, l'équilibrage manuel complexe des moments d'assiette longitudinale et de gîte, la calibration complexe des nombreux paramètres du contrôleur à chaque performance. Dans le cadre de cette maîtrise les objectifs de recherche et le contenu de cette thèse couvrent : 1. Le développement d'un modèle dynamique virtuel des robots permettant de cerner les aspects critiques de la fiabilité et de la robustesse de leurs systèmes. Ce modèle est d'abord développé de manière théorique, en se basant sur la littérature pertinente, principalement du domaine des aérostats extérieurs. Ce modèle, comprenant une approximation des effets aérodynamiques, est optimisé au moyen de tests sur le robot. Grâce au modèle optimisé, différents facteurs, comme le positionnement d'équipement en différents endroits sur la structure et le rapprochement du centre de masse et du centroïde, sont étudiés numériquement. 2. L'analyse de la robustesse électro-mécanique des robots pour des interactions prolongées et répétitives. Cette étude se base principalement sur l'expertise empirique des divers intervenants ayant utilisé ces robots dans les dernières performances publiques. Les éléments critiques du design électro-mécanique sont identifiés puis leur conception est revue afin d'en augmenter la robustesse. 3. L'analyse de la méthode de positionnement absolue en salle de spectacle la plus robuste qui conserve un maximum d'autonomie du robot. En se référant à la littérature pertinente, et tout en considérant le temps limité de cette recherche, le système de positionnement complètement embarqué le plus prometteur a été sélectionné et développé. Les résultats de tests sur un partie du système sont présentés. Il est démontré dans cette étude que la robustesse mécanique, dans le contexte de ce projet, est atteinte en concevant des circuits et leur filage solidaires à la structure et des supports de batteries sur mesure. La robustesse au niveau du contrôle est quant à elle améliorée en permettant aisément à l'usager de passer d'un mode de contrôle à un autre afin de rapidement en ajuster les paramètres et de trouver le mode le mieux adapté à chaque situation. En terme de contrôle une nouvelle approche a permis de positionner les éléments nécessaires à un contrôle complet des six degrés de liberté en navigation à l'estime. Un ensemble de capteurs comprenant un accéléromètre, un magnétomètre 3 axes, un altimètre et une caméra permet d'obtenir suffisamment de données pour accomplir cette tâche.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent la modélisation, la commande et l'estimation de suspensions automobiles semi-actives, dans un contexte industriel. La contribution principale concerne le développement d'une méthodologie de synthèse d'observateurs et de contrôleurs adaptés aux suspensions semi-actives. Fondée sur un observateur, un contrôleur principal et quatre contrôleurs locaux, la stratégie de commande permet d'améliorer le confort et la tenue de route du véhicule. La méthode de synthèse Hinfinity appliquée aux systèmes Linéaires à Paramètres Variants (LPV) est utilisée pour la commande des amortisseurs, permettant ainsi de prendre en compte leurs non linéarités dans la synthèse. Différents résultats de simulation et expérimentaux sont présentés pour valider l'observateur et les lois de commande.