L'objectif de cette thèse est d'apporter des contributions à une méthodologie<br />intégrée pour l'identification et la commande des systèmes industriels. La première<br />partie analyse les problématiques de la commande des systèmes industriels et propose<br />une méthode qui conduit rapidement au calcul d'un régulateur robuste pour<br />un large nombre d'applications réelles en suivant les trois étapes fondamentales :<br />données E/S, identification du modèle, calcul du régulateur. La deuxième partie est<br />dédiée à l'étude des systèmes industriels linéaires monovariable. On présente une<br />procédure basée sur l'interaction entre la commande et l'identification en boucle<br />fermée. Une méthode pour l'ajustement des régulateurs PID destinés aux systèmes<br />d'ordre élevé est aussi proposée. La modélisation et identification d'une classe de<br />modèles non-linéaires constituent l'objet de la troisième partie de la thèse.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une thèse CIFRE - Convention Industrielle de Formation - supervisée par la laboratoire LAMIH UMR CNRS 8201 Laboratoire et financé par l'entreprise SRDEP (Société de Ressources et de Développement pour les Entreprises et les Particuliers) et l'ANRT (Association Nationale de la Recherche et de la Technologie).Il s'agit d'une thèse applicative dans le domaine de la commande robuste numérique des systèmes biomécaniques. L'objectif est de concevoir et de réaliser un appareil de ré-entraînement à l'effort physique pour contrôler les paramètres physiologiques de l'homme avec plusieurs finalités : diagnostic, l'optimisation des prescriptions et sécurisation de l'exercice.Le travail réalisé de divise en deux parties :1 - L'étude scientifique : Dans cette partie, un modèle non linéaire de fréquence cardiaque est proposé ainsi qu'une méthodologie d'identification. A partir des résultats obtenus dans l'étape précédente, est développé un algorithme de commande robuste. Ce dernier est validé à partir de plusieurs tests réalisés en temps réel sur l'homme à l'aide d'un prototype.2 - Réalisation et industrialisation : Cela comprend la conception de l'appareil, le dimensionnement des différentes parties, la conception du système embarqué temps réel, la fabrication des cartes électroniques, l'implantation des algorithmes de commandes ainsi que la gestion des relations avec les partenaires et les sous-traitants.Il s'agit donc clairement d'un projet multidisciplinaire incluant de la mécanique, de l'électronique, de l'informatique, de l'automatique mais aussi le design, des relations clients-fournisseurs, des démarches de contacts avec des clients potentiels et de nombreux essais et mises au point. Dans cette thèse, seuls les aspects scientifiques seront discutés, en particulier ceux centrés autour des techniques de l'automatique : Modélisation, identification, commande et diagnostic même si l'ensemble des activités non liées à ces aspects ont pris un certain temps.

L'objet de la thèse était la commande d'un système de nano-positionnement par couranttunnel, avec application sur la plateforme expérimentale développée au laboratoire Gipsa-lab.Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la commande des systèmes micro et nano-mécatronique,pour des applications en microscopie en champ proche ou dans des systèmes depositionnement ultra-précis. A l'échelle nanométrique, des problèmes de bruits de différentesnatures, vibrations, non-linéarités et instabilité influencent la précision et la qualité de mesuredu système. L'objectif était donc de pouvoir faire face à ces contraintes en utilisant destechniques modernes de commande robuste. Dans cette thèse, un système de mesure à couranttunnel a été modélisé et le problème de contrôle lié aux performances de mesure souhaitées aété formulé. Les performances souhaitées, à savoir la précision de la mesure et le rejet decertaines perturbations avec la robustesse adéquate, ont été atteints en utilisant des lois decommande robuste. Ces lois de commande ont été validées expérimentalement (àl'atmosphère ambiante) sur une plateforme du Gipsa-lab. À la fin de cette thèse, pour uneapplication de scanner de surface à l'échelle atomique, une modélisation dynamique MIMOdu système a été proposée et un régulateur MIMO afin de réduire l'erreur de positionnementdûe au couplage a été validé en simulations.

Le robot parallèle Par2, conçu pour des opérations industrielles de prise et dépôt à haute vitesse et haute précision, subit des vibrations importantes à la fin d'un déplacement. Pour minimiser ces vibrations, l'utilisation d'éléments piézo-électriques autour des bras du robot est proposée. L'identification en boucle ouverte des modes flexibles du robot, à 2,5kg de charge sur la nacelle et à la position d'arrêt, est faite en utilisant une technique basée sur les sousespaces. Deux modèles sont identifiés, un pour la synthèse des contrôleurs et un autre pour leur validation en simulation. Des contrôleurs stabilisant la boucle fermée sont obtenus et comparés pour deux stratégies de commande: H8 à sensibilité mixte et H8 Loop Shaping. La robustesse des contrôleurs est ensuite testée pour différentes trajectoires et conditions de charge. Une stratégie anti-windup est mise en place pour corriger l'action d'un contrôleur lorsqu'il ne s'avère pas robuste pour certaines situations limites. Des résultats en simulations et expérimentaux permettent de comparer l'efficacité des contrôleurs.

Les travaux rassemblés dans ce manuscrit d'habilitation portent sur quelques modèles d'équations aux dérivées partielles et se développent selon deux axes, l'un orienté vers des questions d'identifiabilité de paramètres, l'autre vers la commande robuste aux perturbations extérieures. Le premier axe est introduit par une présentation de l'état de l'art concernant les problèmes inverses de détermination de coefficients dans les principales équations d'évolution. Il s'articule d'abord autour de la démonstration de la stabilité du problème inverse de détermination du potentiel dans une simple équation des ondes posée en domaine borné. Cela permet de décrire divers cas plus exotiques, où l'équation des ondes est posée avec des conditions de transmission sur une interface connue, ou posée sur un réseau de branches en dimension un d'espace, ou bien encore semi-discrétisée en la variable d'espace. Le principal outil construit et employé est une inégalité de Carleman appropriée à chaque situation. La méthode qui permet d'en déduire la stabilité du problème inverse sert ensuite à la mise en place d'un schéma numérique nouveau pour la reconstruction du potentiel. D'autres études de stabilité de problèmes inverses pour des équations paraboliques et dispersives viennent conclure cette partie. Le second axe de mes travaux s'attache à la commande robuste de systèmes de dimension infinie décrits par des équations aux dérivées partielles. La principale motivation consiste à pouvoir travailler même avec ces systèmes dans un cadre de type espace d'état et obtenir des résultats en commande robuste H-infini similaires à ceux de la dimension finie. Nous détaillons ainsi un théorème ramenant, dans le cadre de systèmes de dimension infinie, la commande robuste à la résolution d'équations de Riccati. L'idée finale est de formuler des résultats théoriques de commande garantissant une certaine robustesse de la stabilité du système en assurant le rejet des perturbations. Nous présentons dans un premier temps l'étude d'un système d'optique adaptative qu'il a été possible de formuler dans un tel cadre avant d'effectuer des simulations numériques sur le modèle tronqué. C'est ensuite un système couplé fluide/structure modélisé à base d'équations aux dérivées partielles puis réduit à la dimension finie qui est présenté. Il est finalement étudié avec les outils usuels de la commande (placement de pôles, observateurs, contrôleurs d'ordre réduit) avant de faire l'objet de test sur le banc d'essai à l'origine du modèle.

L'objet de la thèse était la commande d'un système de nano-positionnement par couranttunnel, avec application sur la plateforme expérimentale développée au laboratoire Gipsa-lab.Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la commande des systèmes micro et nano-mécatronique,pour des applications en microscopie en champ proche ou dans des systèmes depositionnement ultra-précis. A l'échelle nanométrique, des problèmes de bruits de différentesnatures, vibrations, non-linéarités et instabilité influencent la précision et la qualité de mesuredu système. L'objectif était donc de pouvoir faire face à ces contraintes en utilisant destechniques modernes de commande robuste. Dans cette thèse, un système de mesure à couranttunnel a été modélisé et le problème de contrôle lié aux performances de mesure souhaitées aété formulé. Les performances souhaitées, à savoir la précision de la mesure et le rejet decertaines perturbations avec la robustesse adéquate, ont été atteints en utilisant des lois decommande robuste. Ces lois de commande ont été validées expérimentalement (àl'atmosphère ambiante) sur une plateforme du Gipsa-lab. À la fin de cette thèse, pour uneapplication de scanner de surface à l'échelle atomique, une modélisation dynamique MIMOdu système a été proposée et un régulateur MIMO afin de réduire l'erreur de positionnementdûe au couplage a été validé en simulations. / The objective of this thesis was to control the nano-positioning system using tunneling current with the real-time validation over an experimental platform developed in Gipsa-lab. This thesis lies in the domain of control for micro and nano-mechatronics systems for the applications of scanning probe microscopy and ultra-precise positioning. At nanometer scale, the problems of noise, vibrations, nonlinearity and instability influence the precision of the measurement. The objective was to deal with these constraints by using the modern techniques of robust control. In this thesis, a system of tunneling current measurement has been modelled and the control problem has been formulated in terms of desired measurement performances. Then, robust control design laws are analyzed in order to achieve better performances in terms of measurement precision and rejection of certain disturbances with robustness. These control laws are experimentally validated (at ambient atmosphere) for a platform of Gipsa-lab. At the end of this thesis, a dynamic modelling of MIMO system for an application of scanning the surface with an atomic resolution has been proposed and a MIMO controller in order to reduce the positioning error due to coupling has been validated in simulations.

L'objectif principale de cette thèse est de développer contrôleurs innovants MIMO pour la dynamique véhicule tout en préservant la stabilité du véhicule dans les situations de conduite critiques. Des stratégies de commandes innovatrices ont été introduites pour résoudre cette problématiques. En effet, ces travaux se base sur travaux l'utilisation de la commande LPV/Hinf pour contrôler simultanément les actionneurs de freinage, braquage et de suspensions pour réaliser les objectives du contrôle.Aussi de stratégies d'estimation du profil de route très intéressant et qui peuvent apporter une solution industrielle très intéressante pour développer des contrôleurs qui assurent adaptative aux différentes conditions de route.Aussi des stratégies de commande tolérante aux défauts actionneurs ont été établi en exploitant les caractéristiques de la commande LPV pour compenser la perte de certains actionneurs (en sachant que la voiture est un système sur actionné). Des implémentations ont été effectuées sur des bancs de test et sur un véhicule réel pour prouver l'efficacité des stratégies. / The main issue of this thesis is to work out new Global Chassis MIMO controllers that enhance the overall dynamics of the vehicle while preserving the vehicle stability in critical driving situations. Many innovative strategies have been explored and finalized to deal with these problematics. Various solutions have been given to deal with the vehicle stability and performance objectives. Indeed, many works based on the LPV/Hinf approach have been developed to control simultaneously the braking, steering and suspension actuators. On the other hand, innovative road profile estimation strategies have been introduced and validated via experimental procedures, providing new cheap and easily implementable techniques to estimate the road profile characteristics. Then, the vehicle control is adapted, depending on the road roughness (since it influences greatly the behaviour and the stability of the car). Several fault tolerant control strategies have been also considered to handle the actuators failures while keeping the vehicle stability, safety and enhancing the dynamical behaviour of the car in dangerous and critical driving situations.The general content of this thesisis as follows :-PART I : Theoretical backgrounds and vehicle modeling.-PART II : Road adaptive control vehicle dynamics.-PART III : Global chassis control using several actuators.Also, during this thesis and using the previous works of the advisors and the thesis results, a Matlab ToolBox "Automotive" has been developed to provide a bench test for the different automotive control studies. Implementations on test beds and real vehicle are also achieved to prove the efficiency of the proposed strategies.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une thèse CIFRE - Convention Industrielle de Formation - supervisée par la laboratoire LAMIH UMR CNRS 8201 Laboratoire et financé par l'entreprise SRDEP (Société de Ressources et de Développement pour les Entreprises et les Particuliers) et l'ANRT (Association Nationale de la Recherche et de la Technologie).Il s'agit d'une thèse applicative dans le domaine de la commande robuste numérique des systèmes biomécaniques. L'objectif est de concevoir et de réaliser un appareil de ré-entraînement à l'effort physique pour contrôler les paramètres physiologiques de l'homme avec plusieurs finalités : diagnostic, l'optimisation des prescriptions et sécurisation de l'exercice.Le travail réalisé de divise en deux parties :1 - L'étude scientifique : Dans cette partie, un modèle non linéaire de fréquence cardiaque est proposé ainsi qu'une méthodologie d'identification. A partir des résultats obtenus dans l'étape précédente, est développé un algorithme de commande robuste. Ce dernier est validé à partir de plusieurs tests réalisés en temps réel sur l'homme à l'aide d'un prototype.2 - Réalisation et industrialisation : Cela comprend la conception de l'appareil, le dimensionnement des différentes parties, la conception du système embarqué temps réel, la fabrication des cartes électroniques, l'implantation des algorithmes de commandes ainsi que la gestion des relations avec les partenaires et les sous-traitants.Il s'agit donc clairement d'un projet multidisciplinaire incluant de la mécanique, de l'électronique, de l'informatique, de l'automatique mais aussi le design, des relations clients-fournisseurs, des démarches de contacts avec des clients potentiels et de nombreux essais et mises au point. Dans cette thèse, seuls les aspects scientifiques seront discutés, en particulier ceux centrés autour des techniques de l'automatique : Modélisation, identification, commande et diagnostic même si l'ensemble des activités non liées à ces aspects ont pris un certain temps. / This work of PhD Thesis is realized in the framework of "CIFRE" scholarship supervised by LAMIH UMR CNRS 8201 laboratory and financed by SRDEP (Société de Ressources et de Développement pour les Entreprises et les Particuliers) Company and the ANRT (Association Nationale de la Recherche et de la Technologie) organization. It falls in the domain of numerical identification and robust control of biomedical systems. The aim is to design and to realize a prototype of physical training apparatus based on an electrically controlled brake to regulate some physiological parameters (namely heart rate) by means of exercise intensity. This might be used for diagnostic, optimization of exercise prescriptions and in making exercise more secure for patients.The work can be divided into two parts:1 - Scientific study : in this part, a nonlinear model is proposed for the heart rate/exercise intensity system as well as an identification process. Then, a robust control strategy is established and tested in real time on several subjects using thedeveloped prototype.2 - Realization of embedded system : This includes the design of electromechanical system; the real time embedded system, electronic cards as well as the implementation of control algorithms.It is clearly a multidisciplinary project including mechanics, electronics, informatics, control systems, physiology of human exercise besides project management, relations with partners, and direction of team work. In this thesis only scientific aspects will be discussed and especially those relevant to system identification and control, despite the fact that a relatively big percentage of time had to be devoted to the other aspects.

Le robot parallèle Par2, conçu pour des opérations industrielles de prise et dépôt à haute vitesse et haute précision, subit des vibrations importantes à la fin d'un déplacement. Pour minimiser ces vibrations, l'utilisation d'éléments piézo-électriques autour des bras du robot est proposée. L'identification en boucle ouverte des modes flexibles du robot, à 2,5kg de charge sur la nacelle et à la position d'arrêt, est faite en utilisant une technique basée sur les sous-espaces. Deux modèles sont identifiés, un pour la synthèse des contrôleurs et un autre pour leur validation en simulation. Des contrôleurs stabilisant la boucle fermée sont obtenus et comparés pour deux stratégies de commande: H∞ à sensibilité mixte et H∞ Loop Shaping. La robustesse des contrôleurs est ensuite testée pour différentes trajectoires et conditions de charge. Une stratégie anti-windup est mise en place pour corriger l'action d'un contrôleur lorsqu'il ne s'avère pas robuste pour certaines situations limites. Des résultats en simulations et expérimentaux permettent de comparer l'efficacité des contrôleurs / The parallel robot Par2, conceived for high-speed and high-accuracy industrial pick-and-place operations, is subject to severe vibrations at the end of a trajectory. In order to minimize these vibrations, the use of piezoelectric patches wrapped around the robot arms is proposed. The open loop identification of the flexible modes of the robot, charged with 2,5kg and at the stop position, is performed by means of a subspace-based technique. Two models are identified, one for the controller synthesis and another one for validation in simulation. Some stabilizing controllers are obtained and compared for two control strategies: mixed H∞ sensitivity and H∞ Loop Shaping. The robustness of the controllers is tested for different trajectory and charge conditions. An anti-windup strategy is employed to correct the action of a controller when it shows no robustness to some limit situations. Some simulation and experimental results allow comparing the effectiveness of the controllers

Les systèmes LTI à contrôler sont soumis à des contraintes physiques et technologiques. Nous avons montré que celles-ci limitent la bande passante atteignable en boucle fermée. Il s'en suit qu'il suffit de modéliser et d'analyser ces systèmes dans une bande de fréquences limitée, et non pas sur toutes les fréquences, et que l'utilisation de correcteurs d'ordres réduits est tout à fait efficace. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la synthèse de correcteurs d'ordres réduits fixés sous contraintes de robustesse, et à la réduction de modèles pour de tels systèmes. La méthode proposée consiste à déterminer un correcteur de structure donnée qui optimise le rejet de la perturbation de commande de type échelon au sens de la norme H2, en respectant des contraintes de robustesse, i.e. marge de module minimum, marge de phase minimum et amplification maximum du bruit de mesure sur la commande. En s'appuyant sur une base de modèles génériques d'ordres réduits, la méthode aboutit à une formulation d'optimisation mixte H2/H-infini semi-analytique de la fonction objectif et de contraintes d'inégalités en termes des gains inconnus du correcteur. Lorsque le système à contrôler est d'ordre élevé, nous proposons une méthode de réduction de modèle avec garantie de marges de robustesse en boucle fermée afin d'obtenir les paramètres des modèles génériques d'ordres réduits. Si le modèle du système à contrôler n'est pas disponible, nous présentons une méthode d'identification expérimentale par la méthode du relais sur la base de modèles génériques. Dans le but de rendre l'approche proposée plus accessible à un usage industriel, nos développements in fine ont été intégrés à des outils logiciels d'aide à la conception d'un système de commande.