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Die Arbeit beschäftigt sich mit dem systemtheoretischen Konzept der Flachheit: einer Eigenschaft dynamischer Systeme mit großer Bedeutung beim Bewältigen typischer nichtlinearer Regelungs- und Steuerungsprobleme, welche für Systeme verschiedener mathematischer Klassen definiert werden kann. Obwohl sich zahlreiche praktische Beispiele als flach herausgestellt haben und flachheitsbasierte Methoden erfolgreich angewendet werden konnten, ist der Nachweis der Existenz bzw. Nichtexistenz sogenannter flacher Ausgänge ein nach wie vor offenes Problem. Diese als theoretisch ideale Sensorpositionen interpretierbaren rein virtuellen Größen erlauben (vereinfacht ausgedrückt) eine freie Parametrisierung aller Systemgrößen, woraus eine besonders einfache Systemdarstellung möglich wird. Die Planung von Steuerung und Regelung in dieser Darstellung kann dann mit den wohlvertrauten linearen Methoden durchgeführt werden. Darüber hinaus existiert in der Forschungsliteratur das duale Konzept der flachen Eingänge, welches sich aus der im Entwurfsprozess technischer Systeme aufkommenden Frage nach geeigneten Stelleingriffen motivieren lässt. Die Arbeit widmet sich im ersten Teil einer algebraischen Perspektive auf die Flachheitsanalyse, welche eine vereinheitlichte Untersuchung von nichtlinearen zeitkontinuierlichen und zeitdiskreten Systemen ermöglicht. Hierfür wird das Konzept der verallgemeinerten Jacobi-Matrix betrachtet, welche den Matrizen über dem Ring der nichtkommutativen Ore-Polynome entstammt. Der zugehörige mathematische Formalismus wird in den für die Arbeit wichtigsten Zügen untersucht. Aufbauend auf diesem Formalismus wird argumentiert, dass ein verbreiteter Zugang aus der Literatur zur Bestimmung flacher Ausgänge im Kern auf eine dynamische Fassung des Satzes von der Umkehrabbildung zurückgeführt werden kann. Aus dieser Perspektive resultiert, dass die zu prüfende Bedingung nicht als notwendig eingestuft werden kann, womit einige in der Literatur formulierte Ergebnisse zur Diskussion gestellt werden. Ein Beispiel untermauert dies. Dass aus diesem Zugang jedoch keine freie Parametrisierbarkeit der Systemgrößen und damit Flachheit folgen muss, zeigt ein weiteres Beispiel, womit die zu prüfende Bedingung auch nicht hinreichend ist. Da die letztere Problematik nur in seltenen Fällen auftritt, wird unter dem Ausschluss dieser der verallgemeinerte Satz von der Umkehrabbildung dennoch als eine nützliche Grundlage für die Flachheitsanalyse angesehen. Hierfür wird die verallgemeinerte Jacobi-Matrix eines impliziten Systems derart unimodular vervollständigt, dass im Anschluss eine Integrabilitätsbedingung erfüllt ist. Durch Integration entsprechender 1-Formen erhält man schließlich einen flachen Ausgang. In der Arbeit wird ein verallgemeinerter Algorithmus zur Berechnung einer unimodularen Vervollständigung vorgestellt, der neben den zeitdiskreten und zeitkontinuierlichen Zustandssystemen auch für die Analyse von Deskriptorsystemen genutzt werden kann. Der algebraische Ansatz wird außerdem auf die Berechnung flacher Eingänge übertragen, bei der einerseits die Integrabilitätsbedingung aus strukturellen Gründen immer erfüllt ist, andererseits jedoch eine zusätzliche Unimodularitätsbedingung gelten muss. Diese ist den Untersuchungen des Autors nach jedoch nur in seltenen Spezialfällen nicht erfüllt. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Anwendung flacher Eingänge, die im Vergleich zu flachen Ausgängen in der Literatur bisher nur wenig Aufmerksamkeit erhalten haben. Zum einen wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem der Reglerentwurf für nichtlineare nichtbeobachtbare nichtflache zeitkontinuierliche Zustandssysteme gelingen kann. Das den flachen Eingängen nahestehende Konzept der fiktiven Eingänge wird dabei mit einer Regelungsstrategie auf Basis flacher Eingänge in geeigneter Weise miteinander kombiniert. Zur Realisierung des Reglers wird ein dynamischer Kompensator benötigt, der im Allgemeinen jedoch nur zeitlich diskretisiert angegeben werden kann. Ein Beispiel illustriert dieses Vorgehen. Zum anderen wird der Frage nachgegangen, welche Rolle flache Eingänge im Beobachterentwurf spielen, was aus Dualitätsgründen vermutet werden kann. Für zeitkontinuierliche Zustandssysteme wird zunächst der zeitkontinuierliche Normalformbeobachter herangezogen, dessen Anwendbarkeit bekanntermaßen als restriktiv einzustufen ist. Für nichtintegrierbare Systeme, d.h. Systeme für die ein solcher Beobachter nicht existiert, wird ein Verfahren vorgestellt, bei welchem dem System mit Hilfe eines dynamischen Kompensators die Dynamik eines integrierbaren Systems mit flachem Eingang aufgeprägt wird. Für dieses kann anschließend ein Normalformbeobachter konstruiert werden. Aus den geschätzen Größen des integrierbaren Systems wird mit Hilfe einer Zustandstransformation schließlich eine Rekonstruktion des Zustands des ursprünglichen Systems erreicht. Dieses prinzipielle Vorgehen wird auf die Klasse der zeitdiskreten Zustandssysteme und auf die der zeitkontinuierlichen Systeme mit abgetasteten Messgrößen übertragen. Auch diese Methode wird durch Beispiele veranschaulicht.

L'objet de cette thèse est de proposer un cadre complet, du haut niveau au bas niveau, de génération de trajectoires pour un groupe de systèmes dynamiques indépendants. Ce cadre, basé sur la résolution de l'équation de Burgers pour la génération de trajectoires, est appliqué à un modèle original de drone trirotor et utilise la platitude des deux systèmes différentiels considérés. La première partie du manuscrit est consacrée à la génération de trajectoires. Celle-ci est effectuée en créant formellement, par le biais de la platitude du système considéré, des solutions à l'équation de la chaleur. Ces solutions sont transformées en solution de l'équation de Burgers par la transformation de Hopf-Cole pour correspondre aux formations voulues. Elles sont optimisées pour répondre à des contraintes spécifiques. Plusieurs exemples de trajectoires sont donnés.La deuxième partie est consacrée au suivi autonome de trajectoire par un drone trirotor. Ce drone est totalement actionné et un contrôleur en boucle fermée non-linéaire est proposé. Celui-ci est testé en suivant, en roulant, des trajectoires au sol et en vol. Un modèle est présenté et une démarche pour le contrôle est proposée pour transporter une charge pendulaire. / This thesis is dedicated to the creation of a complete framework, from high-level to low-level, of trajectory generation for a group of independent dynamical systems. This framework, based for the trajectory generation, on the resolution of Burgers equation, is applied to a novel model of trirotor UAV and uses the flatness of the two levels of dynamical systems.The first part of this thesis is dedicated to the generation of trajectories. Formal solutions to the heat equation are created using the differential flatness of this equation. These solutions are transformed into solutions to Burgers' equation through Hopf-Cole transformation to match the desired formations. They are optimized to match specific requirements. Several examples of trajectories are given.The second part is dedicated to the autonomous trajectory tracking by a trirotor UAV. This UAV is totally actuated and a nonlinear closed-loop controller is suggested. This controller is tested on the ground and in flight by tracking, rolling or flying, a trajectory. A model is presented and a control approach is suggested to transport a pendulum load.

A presente tese aborda dois problemas distintos e independentes: triangularização de sistemas não-lineares com duas entradas e controle de sistemas sem arrasto que evoluem no grupo especial unitário SU(n). Em relação ao primeiro, estabeleceu-se, através da generalização de resultados bem conhecidos, condições geométricas para que um sistema com duas entradas seja descrito por uma forma triangular específica após uma mudança de coordenadas e uma realimentação de estado estática regular. Para o segundo problema, desenvolveu-se uma estratégia de controle que força o estado do sistema a rastrear assintoticamente uma trajetória de referência periódica que passa por um estado objetivo arbitrário. O método de controle proposto utiliza os resultados de convergência de tipo- Lyapunov que foram estabelecidos pela presente pesquisa e que tiveram como inspiração uma versão periódica do princípio da invariância de LaSalle. Apresentou-se, ainda, os resultados de simulação obtidos com a aplicação da técnica de controle desenvolvida a um sistema quântico consistindo de duas partículas de spin-1/2, com o objetivo de gerar a porta lógica quântica C-NOT. / This thesis treats two distinct and independent problems: triangularization of nonlinear systems with two inputs and control of driftless systems which evolve on the special unitary group SU(n). Concerning the first, one has established, by means of the generalization of well-known results, geometric conditions for a system with two inputs to be described by a specific triangular form after a change of coordinates and a regular static state feedback. For the second problem, one has developed a control strategy that forces the state of the system to track in an asymptotic manner a periodic reference trajectory which passes by an arbitrary goal state. The proposed control method uses Lyapunovlike convergence results that were established in this research and which were inspired in a periodic version of LaSalles invariance principle. Furthermore, one has shown the simulation results obtained from the application of the developed control technique to a quantum system consisting of two spin-1/2 particles, with the aim of generating the C-NOT quantum logic gate.

A presente tese aborda dois problemas distintos e independentes: triangularização de sistemas não-lineares com duas entradas e controle de sistemas sem arrasto que evoluem no grupo especial unitário SU(n). Em relação ao primeiro, estabeleceu-se, através da generalização de resultados bem conhecidos, condições geométricas para que um sistema com duas entradas seja descrito por uma forma triangular específica após uma mudança de coordenadas e uma realimentação de estado estática regular. Para o segundo problema, desenvolveu-se uma estratégia de controle que força o estado do sistema a rastrear assintoticamente uma trajetória de referência periódica que passa por um estado objetivo arbitrário. O método de controle proposto utiliza os resultados de convergência de tipo- Lyapunov que foram estabelecidos pela presente pesquisa e que tiveram como inspiração uma versão periódica do princípio da invariância de LaSalle. Apresentou-se, ainda, os resultados de simulação obtidos com a aplicação da técnica de controle desenvolvida a um sistema quântico consistindo de duas partículas de spin-1/2, com o objetivo de gerar a porta lógica quântica C-NOT. / This thesis treats two distinct and independent problems: triangularization of nonlinear systems with two inputs and control of driftless systems which evolve on the special unitary group SU(n). Concerning the first, one has established, by means of the generalization of well-known results, geometric conditions for a system with two inputs to be described by a specific triangular form after a change of coordinates and a regular static state feedback. For the second problem, one has developed a control strategy that forces the state of the system to track in an asymptotic manner a periodic reference trajectory which passes by an arbitrary goal state. The proposed control method uses Lyapunovlike convergence results that were established in this research and which were inspired in a periodic version of LaSalles invariance principle. Furthermore, one has shown the simulation results obtained from the application of the developed control technique to a quantum system consisting of two spin-1/2 particles, with the aim of generating the C-NOT quantum logic gate.