Les matériaux actifs sont des matériaux qui réagissent quand on leur applique un champ extérieur comme la température, la lumière, un champ magnétique ou un champ électrique. Ces champs changent les propriétés du matériau comme la longueur, la susceptibilité magnétique ou la permittivité électrique. Ces changements peuvent être utilisé pour faire du travail. Quelques exemples sont les matériaux piézoélectriques, qui changent de longueur quand on applique un champ électrique, les alliages à mémoire de forme qui changent leur longueur sous l’action de la température. Un matériau plus récent qu’on appelle les alliages mémoire de forme magnétique se de forme sous l’action d’un champ magnétique. Dans cette thèse, on utilise ce matériau pour Confectionner un actionneur. Pour ce faire, on utilise la thermodynamique des procédés irréversibles pour modéliser le matériau. La thermodynamique s’avère très versatile pour ce type de matériau car il permet de quantifier l’ échange et la transformation d’ énergie dans le matériau. Aussi, étant donné que le matériau se comporte d’une façon non-linéaire et hystérique, le cadre énergétique nous permets justement de prendre en compte ces non- linearités. Cette thèse utilise l’approche énergétique notamment les Hamiltonien à ports pour modéliser un actionneur à base d’alliage à mémoire de forme. Cette méthode nous permets aussi de concevoir des lois de commande pour contrôler le matériau. / Active materials are a class of material which react to an external stimulus such as temperature,photons, magnetic field or electric field. These stimuli cause some properties of the material tochange usually their length. Some examples are piezoelectric material which change their lengthunder the action of an electric field, Shape Memory alloys which alter their shape on applicationof heat, and more recently Magnetic Shape Memory Alloys (MSMA) which undergo a deformationon application of a magnetic field. Harnessing this property of MSMAs, we hereby present anactuator using this novel material. We extensively make use of an energy framework, namely thethermodynamics of irreversible processes to model the material. This framework has been provento be very versatile in modelling energy exchange and transformation as it occurs in the materialand also to incorporate hysteresis which arises naturally in such materials. Another advantage of thismethod is its ability to give us constitutive laws based on simple assumptions. Furthermore, usingan energy framework allows us to apply some energy based control. Port Hamiltonian Control is onesuch method and it is not limited only to linear models. This latter characteristic has proven veryuseful since MSMAs are very non-linear in nature.

Cette thèse aborde les problèmes de la modélisation et de la commande d'un micro-réseau courant continu (CC) en vue de la gestion énergétique optimale, sous contraintes et incertitudes. Le micro-réseau étudie contient des dispositifs de stockage électrique (batteries ou super-capacités), des sources renouvelables (panneaux photovoltaïques) et des charges (un système d'ascenseur motorise par une machine synchrone a aimant permanent réversible). Ces composants, ainsi que le réseau triphasé, sont relies a un bus commun en courant continu, par des convertisseurs dédies. Le problème de gestion énergétique est formule comme un problème de commande optimale qui prend en compte la dynamique du système, des contraintes sur les variables, des prédictions sur les prix, la consommation ou la production et des profils de référence.Le micro-réseau considère est un système complexe, de par l'hétérogénéité de ses composants, sa nature distribuée, la non-linéarité de certaines dynamiques, son caractère multi-physiques (électromécanique, électrochimique, électromagnétique), ainsi que la présence de contraintes et d'incertitudes. La représentation consistante des puissances échangées et des énergies stockées, dissipées ou fournies au sein de ce système est nécessaire pour assurer son opération optimale et fiable.Le problème pose est abordé via l'usage combine de la formulation hamiltonienne a port, de la platitude et de la commande prédictive économique base sur le modelé. Le formalisme hamiltonien a port permet de décrire les conservations de la puissance et de l'énergie au sein du micro-réseau explicitement et de relier les composants hétérogènes dans un même cadre théorique. Les non linéarités sont gérées par l'introduction de la notion de platitude démentielle et la sélection de sorties plates associées au modèle hamiltonien a ports. Les profils de référence sont génères a l'aide d'une para métrisation des sorties plates de telle sorte que l'énergie dissipée soit minimisée et les contraintes physiques satisfaites. Les systèmes hamiltoniens sur graphes sont ensuite introduits pour permettre la formulation et la résolution du problème de commande prédictive _économique a l'échelle de l'ensemble du micro-réseau CC. Les stratégies de commande proposées sont validées par des résultats de simulation pour un système d'ascenseur multi-sources utilisant des données réelles, identifiées sur base de mesures effectuées sur une machine synchrone. / The goals of this thesis is to propose modelling and control solutions for the optimal energy management of a DC microgrid under constraints. The studied microgrid system includes electrical storage units (e.g., batteries, supercapacitors), renewable sources (e.g., solar panels) and loads (e.g., an electro-mechanical elevator system). These interconnected components are linked to a three phase electrical grid through a DC bus and associated DC/AC converters. The optimal energy management is usually formulated as an optimal control problem which takes into account the system dynamics, cost, constraints and reference profiles.An optimal energy management for the microgrid is challenging with respect to classical control theories. Needless to say, a DC microgrid is a complex system due to its heterogeneity, distributed nature (both spatial and in sampling time), nonlinearity of dynamics, multi-physic characteristics, the presence of constraints and uncertainties. Moreover, the power-preserving structure and the energy conservation of a microgrid are essential for ensuring a reliable operation.This challenges are tackled through the combined use of port-Hamiltonian formulations, differential flatness, and economic Model Predictive Control.The Port-Hamiltonian formalism allows to explicitly describe the power-preserving structure and the energy conservation of the microgrid and to connect different components of different physical natures through the same formalism. The strongly non-linear system is then translated into a flat representation. Taking into account differential flatness properties, reference profiles are generated such that the dissipated energy and various physical constraints are taken into account. Lastly, we minimize the purchasing/selling electricity cost within the microgrid using the economic Model Predictive Control with the Port-Hamiltonian formalism on graphs.The proposed control designs are validated through simulation results.

L’objectif de ce travail est de proposer de nouvelles stratégies de commande non linéaire pour la stabilisation des Réacteurs Parfaitement Agités Continus (RPAC). Pour cela, nous utilisons d’une part, l’approche thermodynamique entropique. Plus précisément, nous utilisons la notion de disponibilité thermodynamique et les propriétés de la thermodynamique irréversible pour définir une fonction de Lyapunov utilisable pour la stabilisation du système en boucle fermée. Nous proposons aussi une fonction disponibilité réduite afin d’obtenir des lois stabilisantes plus performantes en terme de sollicitation des actionneurs. D’autre part, nous proposons une extension du formalisme (pseudo) hamiltonien à ports dissipatifs aux réacteurs chimiques ouverts. Nous montrons que l’Hamiltonien est lié à l’enthalpie libre de Gibbs dans le cas isotherme et à l’ectropie (opposée de l’entropie) dans le cas non isotherme. Par ce formalisme, la dissipation du système représente la production irréversible d’entropie due à la réaction chimique. Nous appliquons ensuite les techniques de commande passive (modelage de l’énergie) pour la synthèse de lois de commande en choisissant la disponibilité thermodynamique comme fonction hamiltonienne à modeler en boucle fermée. Finalement, nous montrons que les commandes synthétisées par l’approche thermodynamique entropique et la formulation pseudo-hamiltonienne sont, dans certains cas, équivalentes. Certaines propriétés relatives à la stabilisation et l’admissibilité des commandes sont aussi considérées. Les développements théoriques sont mis en oeuvre sur des exemples différents de RPAC : un réacteur académique et l’hydrolyse par catalyse acide de l’oxirane-méthanol en glycérine. / The goal of this thesis is to propose new nonlinear control strategies for the stabilization of perfectly Continuous Stirred Tank Reactors (CSTR). To achieve this goal, we use on the one hand, the entropic thermodynamic approach. More precisely, we use the thermodynamic availability concept and the properties of irreversible thermodynamics to define a Lyapunov function candidate for the stabilization of the closed loop system. We also propose a reduced availability function to design more efficient feedback laws in term of control variable solicitations. On the other hand, we propose an extension of the (pseudo) Hamiltonian formalism associated to dissipative systems to open chemical reactors. We show that the Hamiltonian is linked to the Gibbs free enthalpy in the isothermal case and to ectropy (opposed to entropy) in the non isothermal case. By this formalism, the dissipation of the system represents the irreversible entropy production due to chemical reaction. The Interconnection and Damping Assignment-Passivity Based Control (IDA-PBC) approach is then applied to synthesize feedback laws by choosing the thermodynamic availability as desired closed loop hamiltonian storage function. Finally, we show that feedback laws synthetized by the entropic thermodynamic approach and the pseudo-hamiltonian formulation are equivalent in some cases. Some stabilization properties and the control input admissibility are also considered. Theoretical developments are illustrated on some different CSTR examples : an academic case study and the acid catalyzed hydration of oxirane-methanol to glycerol.

Dans cette thèse, nous abordons le problème de la stabilisation des systèmes non linéaires. En particulier, nous nous concentrons sur les modèles où l'énergie joue un rôle fondamental. Ce cadre énergétique est adapté pour capturer les phénomènes de plusieurs domaines physiques tels que les systèmes mécaniques, les systèmes électriques, les systèmes hydrauliques, etc. Le point de départ des contrôleurs proposés sont les concepts de système passif, des sorties passives et des fonctions d'énergie (ou stockage). Dans ce travail, nous étudions deux classes de systèmes dynamiques, à savoir les Hamiltoniens à ports (PH) et les Euler-Lagrange (EL), qui conviennent pour représenter de nombreux processus physiques. Une première étape vers la construction des contrôleurs est de montrer la passivité des systèmes PH et la caractérisation de leurs sorties passives. Par la suite, nous explorons l'utilisation des différentes sorties passives dans deux techniques bien connues de contrôle par passivité (PBC), c'est-à-dire le contrôle par interconnexion (CbI) et l'équilibrage énergétique (EB), et nous comparons les résultats obtenus dans les deux approches. De plus, nous proposons une nouvelle méthodologie dans laquelle la loi de commande est composée d'un terme proportionnel (P), un terme intégral (I) et, éventuellement, un terme dérivatif (D) de la sortie passive. Dans cette stratégie, l'énergie du système en boucle fermée est façonnée sans qu'il soit nécessaire de résoudre des équations différentielles partielles (PDE). Nous analysons le scénario du régulateur PID à l'aide des différentes sorties passives précédemment caractérisées. Enfin, nous appliquons un schéma PID-PBC récemment proposé dans la littérature à un système mécanique complexe, à savoir un pendule inversé ultra flexible, représenté sous la forme d'un modèle contraint EL. La conception du contrôleur, la preuve de stabilité, ainsi que les simulations et les résultats expérimentaux sont présentés pour montrer l'applicabilité de cette technique aux systèmes physiques. / In this thesis we address the problem of stabilization of nonlinear systems. In particular, we focus on models where the energy plays a fundamental role. This energy-based framework is suitable to capture the phenomena of several physical domains, such as mechanical systems, electrical systems, hydraulic systems, etc. The starting point in the proposed controllers are the concepts of passive system, passive outputs and energy (storage) functions. In this work we study two classes of dynamical systems, namely port-Hamiltonian (PH) and Euler-Lagrange (EL), which are suitable to represent many physical processes. A first step towards the controller design is to show the passivity of the PH systems and the characterization of their passive outputs. Thereafter, we explore the use of the different passive outputs in two well-known passivity-based control (PBC) techniques, that is control by interconnection (CbI) and energy balancing (EB), and we compare the obtained results in both approaches. In addition, we propose a novel methodology in which the controller consists in a proportional (P), an integral (I) and, possibly, a derivative (D) term of the passive output. In this approach the energy of the closed-loop system is shaped without the necessity of solving partial differential equations (PDEs). We analyze the scenario of the PID controller using the different passive outputs previously characterized. Finally, we apply a PID-PBC scheme recently proposed in the literature to a complex mechanical system, namely an ultra flexible inverted pendulum, which is represented as a constrained EL model. The controller design, the stability proof, as well as simulations and experimental results are presented to show the applicability of this technique to physical systems.