Grâce à la découverte, il y a dix ans, de nouveaux matériaux magnétostrictifs, un no\... ''3au type d'actionneurs est maintenant réalisable. Les actionneurs à magnétostriction géante sont caractérisés par une force développée importante, un faible déplacement, un faible poids et volume ainsi qu'un fonctionnement jusqu'à quelques kilohertz. Ce travail de thèse a été effectué dans le cadre d'un contrat européen Brite Euram nommé MADAVIC. Il a conduit à la réalisation de plusieurs actionneurs à magnétostriction géante. Pour cela des outils logiciels de modélisation éléments finis développés au laboratoire ont été utilisés. Ils ont permis de comparer les différentes solutions s'opposant dans la conception de ces prototypes afin de les dimensionner de façon optimale et conformément au cahier des charges, Réalisés par l'entreprise METRAVIB-RDS, les prototypes ont été testés en terme de force et de déplacement dynamique afin d'évaluer leurs performances et de mieux comprendre le comportement des barreaux à magnétostriction géante représentant le coeur du système. Ce comportement non-linéaire décourage certain quant à l'utilisation de ce type d'actionneur. Nous avons donc réalisé une expérience de contrôle actif des vibrations utilisant un actionneur à magnétostriction géante. Les résultats obtenus ont permis de montrer l'intérêt d'utiliser ce type d'actionneur pour des applications industrielles.

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

Dans cette thèse, nous présentons des solutions pour la conception des systèmes de contrôle actif de vibrations. Dans la première partie, des méthodes de contrôle par action anticipatrice (feedforward) sont développées. Celles-ci sont dédiées à la suppression des perturbations bande large en utilisant une image de la perturbation mesurée par un deuxième capteur, en amont de la variable de performance à minimiser. Les algorithmes présentés dans cette mémoire sont conçus pour réaliser de bonnes performances et maintenir la stabilité du système en présence du couplage positif interne qui apparaît entre le signal de commande et l'image de la perturbation. Les principales contributions de cette partie sont l'assouplissement de la condition de " Stricte Positivité Réelle " (SPR) par l'utilisation des algorithmes d'adaptation " Intégrale + Proportionnelle " et le développement de compensateurs à action anticipatrice (feedforward) sur la base de la paramétrisation Youla-Kučera. La deuxième partie de la thèse concerne le rejet des perturbations bande étroite par contre-réaction adaptative (feedback). Une méthode d'adaptation indirecte est proposée pour le rejet de plusieurs perturbations bande étroite en utilisant des filtres Stop-bande et la paramétrisation Youla-Kučera. Cette méthode utilise des Filtres Adaptatifs à Encoche en cascade pour estimer les fréquences de perturbations sinusoïdales puis des Filtres Stop-bande pour introduire des atténuations aux fréquences estimées. Les algorithmes sont vérifiés et validés sur un dispositif expérimental disponible au sein du département Automatique du laboratoire GIPSA-Lab de Grenoble.

Dans les générateurs de vapeurs (GV), les tubes du circuit primaire sont sujets aux chocs et aux forces de couplage auto-excitatrices nommées forces fluides élastiques.Il est crucial, lors du dimensionnement des GV, de maîtriser la dynamique de ces tubes, ainsi que d'estimer au mieux les efforts mécaniques auxquels ils sont soumis.En effet, cela permet aux ingénieurs d'optimiser la durée de vie des installations et d’augmenter le rendement des centrales électriques.Le but de la présente thèse est de trouver une technique d'essai hybride, basée sur le contrôle actif des vibrations, pour reproduire la contribution modale des forces de couplage sur un tube. En effet, les expériences en milieu réel, dans les conditions que l'on trouve dans les GV, sont hors de prix et très difficiles à reproduire. Dans ces travaux de recherche, une structure de test interagit avec un modèle numérique, qui modélise le fluide, à travers un système de contrôle actif en temps réel. Dans un premier temps les efforts mécaniques appliqués sur le tube sont caractérisés, puis un système de contrôle, constitué de transducteurs et de la carte de contrôle, est conçu pour générer les forces de couplage sur le tube, en prenant en considération les non-linéarités dues aux impacts. / In steam generators, the primary loop tubes are subjected to fluid-elastic couplingforces and impacts. Understanding the dynamic of these tubes is crucial when designingsteam generators. Mastering coupling and impacts forces would allow engineers toimprove the design of structure components and would optimize the tube lifetime, whileimproving the overall performances of power plant.The aim of the current research is to provide a hybrid test technique reproducingthe modal coupling forces on a tube, since experiments on fluid are expensive anddifficult to set up. In this work, the experimental structure interacts with a numericalmodel (which models the fluid-elastic coupling forces) via a real time controller and aset of transducers. First, we characterize the coupling and impact forces, and then, anactive vibration control approach is set up to reproduce the modal contribution of fluidelasticforces on the tube, taking in consideration the non-linearities due to the impacts.

Cette thèse se propose d’appliquer un contrôle actif modal aux instruments de musique de la famille des cordes. Les objectifs principaux sont de proposer une démarche et des méthodes adaptées permettant l’application de ce type de contrôle, d’explorer les possibilités qu’il offre et d’en étudier les effets sur les instruments. Tout d’abord, les types de contrôle existants et leurs applications aux instruments de musique sont rapidement présentés. Le constat que les paramètres modaux des instruments sont de bons descripteurs de ses attributs perceptifs mène à choisir la méthode de contrôle actif modal dont le formalisme est présenté. Afin de répondre à des problématiques propres aux instruments de musique, comme par exemple modifier l’amplitude de vibration des modes de la structure, des méthodes dérivées d’un contrôle d’état modal sont proposées. Une méthode d’adimensionnement en temps du modèle utilisé dans le système de contrôle ainsi qu’une méthode de contrôle des états dérivé et proportionnel sont présentées. Le contrôle est ensuite appliqué expérimentalement sur un monocorde, une guitare et un violoncelle. Pour cela, un système de contrôle temps réel fonctionnant grâce à un environnement libre est développé. Les possibilités offertes par ce type de contrôle ainsi que ses limites sont explorées grâce à ces montages expérimentaux. Enfin, un cas particulier de phénomène régissant le fonctionnement des instruments de musique à cordes est étudié à l’aide du dispositif de contrôle proposé. Le couplage corde/table d’harmonie est observé, étudié analytiquement puis contrôlé. Afin de confronter le contrôle actif à d’autres méthodes d’investigation, les résultats du contrôle sont comparés à ceux obtenus à l’aide d’une méthode de synthèse sonore. / This PhD thesis deals with modal active control applied to string musical instruments. Its main goals are to propose an approach and adapted methods to apply this kind of control, to investigate its possibilities and to study its effects on musical instruments. First, a short presentation of the different methods of active control and their applications to musical intruments is done. While the modal parameters of musical instruments are believed to be good descriptors of their perceptual attributs, the modal active control method is chosen for this work. Adapted methods from modal state control are used to answer to specific issues related to musical instruments. To modify the amplitude of the vibration modes, a time-dimensionless model and a derivative and proportionnal modal state method are proposed. Then, these control methods are experimentally applied to a single string instrument, a guitar and a cello. A real time control system based on a free and opensource framework is developped. The possibilities and the limits of modal state control are studied using this experimental setup. Finally, a case of a complex phenomenon contributing to the sound production in string instruments is studied thanks to the developped control system. The coupling between the string and the soundboard is observed, analytically studied and controlled. The results obtained with control and with a synthesis method are studied to compare this two investigation methods.

Dans cette thèse, nous présentons des solutions pour la conception des systèmes de contrôle actif de vibrations. Dans la première partie, des méthodes de contrôle par action anticipatrice (feedforward) sont développées. Celles-ci sont dédiées à la suppression des perturbations bande large en utilisant une image de la perturbation mesurée par un deuxième capteur, en amont de la variable de performance à minimiser. Les algorithmes présentés dans cette mémoire sont conçus pour réaliser de bonnes performances et maintenir la stabilité du système en présence du couplage positif interne qui apparaît entre le signal de commande et l'image de la perturbation. Les principales contributions de cette partie sont l'assouplissement de la condition de « Stricte Positivité Réelle » (SPR) par l'utilisation des algorithmes d'adaptation « Intégrale + Proportionnelle » et le développement de compensateurs à action anticipatrice (feedforward) sur la base de la paramétrisation Youla-Kučera. La deuxième partie de la thèse concerne le rejet des perturbations bande étroite par contre-réaction adaptative (feedback). Une méthode d'adaptation indirecte est proposée pour le rejet de plusieurs perturbations bande étroite en utilisant des filtres Stop-bande et la paramétrisation Youla-Kučera. Cette méthode utilise des Filtres Adaptatifs à Encoche en cascade pour estimer les fréquences de perturbations sinusoïdales puis des Filtres Stop-bande pour introduire des atténuations aux fréquences estimées. Les algorithmes sont vérifiés et validés sur un dispositif expérimental disponible au sein du département Automatique du laboratoire GIPSA-Lab de Grenoble. / In this thesis, solutions for the design of robust Active Vibration Control (AVC) systems are presented. The thesis report is composed of two parts. In the first one, feedforward adaptive methods are developed. They are dedicated to the suppression of large band disturbances and use a measurement, correlated with the disturbance, obtained upstream from the performance variable by the use of a second transducer. The algorithms presented in this thesis are designed to achieve good performances and to maintain system stability in the presence of the internal feedback coupling which appears between the control signal and the image of the disturbance. The main contributions in this part are the relaxation of the Strictly Positive Real (SPR) condition appearing in the stability analysis of the algorithms by use of “Integral + Proportional” adaptation algorithms and the development of feedforward compensators for noise or vibration reduction based on the Youla-Kučera parameterization. The second part of this thesis is concerned with the negative feedback rejection of narrow band disturbances. An indirect adaptation method for the rejection of multiple narrow band disturbances using Band-Stop Filters (BSF) and the Youla-Kučera parameterization is presented. This method uses cascaded Adaptive Notch Filters (ANF) to estimate the frequencies of the disturbances' sinusoids and then, Band-stop Filters are used to shape the output sensitivity function independently, reducing the effect of each narrow band signal in the disturbance. The algorithms are verified and validated on an experimental setup available at the Control Systems Department of GIPSA-Lab, Grenoble, France.

Les structures intelligentes sont de plus en plus présentes dans différentes industries et notamment dans les domaines de l'aéronautique et du génie civil. Ces structures sont dotées de fonctions qui leur permettent d'interagir avec leur environnement, d'adapter leurs caractéristiques structurelles (raideur, amortissement, viscosité, etc.) selon les besoins ou de surveiller leur état de santé ou « SHM » (Structural Health Monitoring). Aujourd’hui, les performances des méthodes de contrôle actif peuvent être considérablement dégradées lors de l’apparition d’endommagement. Le contrôle actif tolérant aux dommages ou « DTAC » (Damage Tolerant Active Control) est un champ de recherche récent qui s'intéresse à l'élaboration d'approches intégrées pour réduire les vibrations tout en surveillant l'intégrité de la structure, en identifiant les éventuels dommages, et en reconfigurant la loi de commande.Cette thèse apporte une contribution au DTAC en proposant une approche originale basée sur la norme H∞ modale . Les méthodes proposées se focalisent principalement sur le cas où plusieurs actionneurs et capteurs piézoélectriques non-collocalisés sont utilisés pour atténuer les vibrations des structures endommagées. Le manuscrit comprend quatre parties principales. Le chapitre 2 présente des rappels sur la commande H∞ et sur sa solution sous optimale obtenue par une approche par inégalité matricielle ou « LMI » (Linear Matrix Inequality), sur lesquels s’appuient les développements proposés dans ce travail. Le chapitre 3 décrit la norme H∞ modale introduite pour le contrôle actif des vibrations. Cette commande présente une sélectivité modale élevée, permettant ainsi de se concentrer sur les effets du dommage tout en bénéficiant des propriétés de robustesse qu'offre la commande H∞ vis-à-vis du spillover et des variations de paramètres. Une nouvelle stratégie de rejet des vibrations est proposée au chapitre 4. C'est une approche dite préventive où une prise en compte lors de l'élaboration de la commande H∞ modale, des zones fortement contraintes de la structure, où le risque d’endommagement est élevé est réalisée. Un algorithme SHM est proposé afin d'évaluer la sévérité du dommage pour chaque mode. Le chapitre 5 propose une nouvelle approche modale à double boucle de commande pour faire face à des endommagements imprévisibles. Un premier correcteur est conçu dans ce but pour satisfaire les contraintes de performance et de robustesse sur la structure saine, tandis que le second a pour objectif de conserver un contrôle satisfaisant quand un dommage survient. La loi de commande s'appuie sur un observateur d’état et d'un algorithme SHM pour reconfigurer en ligne le correcteur. Toutes les approches DTAC proposées sont testées en utilisant des simulations (analytiques et éléments finis) et/ou des expérimentations sur des structures intelligentes. / Smart structures have increasingly become present in different industry applications and particularly in the fields of aeronautics and civil engineering. These structures have features that allow interactions with the environment, adapting their characteristics according to the needs (stiffness, damping, viscosity, etc.), monitoring their health or controlling their vibrations. Today smart structure active control methods do not respond appropriately to damage, despite the capacity of external disturbances good rejection. Damage-tolerant active control (DTAC) is a recent research area that aims to develop integrated approaches to reduce the vibrations while monitoring the integrity of the structure, identifying damage occurrence and reconfiguring the control law of the adopted active vibration control method.This thesis contributes to DTAC area, proposing a novel modal control framework and some applying strategies. Developed methods focus in non-collocated flexible structures, where multiples piezoelectric sensors and actuators are used to attenuate damaged structure vibration. The chapters present four main topics and the conclusions. Chapter 2 reviews the regular suboptimal H∞ problem and its respective solution based on the linear matrix inequality (LMI) approach, which is a fundamental tool for the development of subsequent topics. Chapter 3 introduces the modal H∞-norm based method for vibration control, which reveals high modal selectivity, allowing control energy concentration on damage effects and presenting robustness to spillover and parameter variation. A new control strategy is developed in Chapter 4, taking into account existing knowledge about the structure stressed regions with high probability of damage occurrence, leading to specific requirements in the modal H∞ controller design. A structural health monitoring (SHM) technique assesses each damaged mode behavior, which is used to design a preventive controller. Chapter 5 presents a novel modal double-loop control methodology to deal with the unpredictability of damage, nevertheless ensuring a good compromise between robustness and performance to both healthy and damaged structures. For this purpose, the first loop modal controller is designed to comply with regular requirements for the healthy structure behavior, and the second loop controller is reconfigured aiming to ensure satisfactory performance and robustness when and if damage occurs, based on a state-tracking observer and an SHM technique to adapt the controller online. In all these chapters, simulated (analytical and finite elements based) and/or experimental aluminum structures are used to examine the proposed methodology under the respective control strategies. The last chapter subsumes the achieved results for each different approach described in the previous chapters.