La qualité de la dérivation numérique en ligne d’un signal bruité joue un rôle primordial dans diverses applications touchant différents domaines (1D et 2D). Dans le travail présenté, nous nous sommes intéressés aux dérivateurs type "signal". Nos travaux s’inscrivent dans ce contexte et abordent des aspects théoriques et applicatifs. Du point de vue théorique, une étude de deux familles de dérivateurs a été effectuée. En premier lieu, nous avons étudié les dérivateurs de nature algébrique [travaux du projet INRIA-Non-A] et en deuxième lieu les différentiateurs modes glissants d’ordre supérieur [travaux de Levant]. Cette étude nous a permis de décrire les points forts et les points faibles de chacune de ces approches. Suite à cette étude, une nouvelle version des dérivateurs modes glissants a été proposée. Du point de vue applicatif, une première application dans le domaine 1D est présentée et qui consiste à utiliser le dérivateur proposé pour l’identification paramétrique en ligne d’un robot SCARA à deux axes. La méthode d’identification est validée expérimentalement par comparaison des résultats obtenus avec ceux donnés par d’autres méthodes (méthode en ligne et hors ligne). La deuxième application touche au domaine 2D. Dans ce cas, nous proposons l’application du différentiateur pour la détection des contours dans une image. Pour la validation des résultats, différents essais sont réalisés pour différents types de bruits. Une étude comparative avec des méthodes classiques est effectuée. Pour pouvoir tester l’efficacité du différentiateur dans des boucles de commande nous nous sommes intéressés aux systèmes électrohydrauliques. Le système physique étudié est un servo-vérin électrohydraulique à hautes performances ayant différents modes de fonctionnement. Après une succession d’hypothèses effectuées sur le modèle de simulation, des modèles de commande sont fournis. La dernière partie de ces travaux est dédiée à la synthèse de stratégie de commande via la technique du Backstepping pour le positionnement de l’axe électrohydraulique afin de tester l’efficacité l’algorithme proposé dans des boucles de commande. Comme base de comparaison, la version classique des algorithmes modes glissants est aussi utilisée. / The quality of the on-line differentiation with a noisy signal plays an important role in various applications involving different areas (1D and 2D). In the present work, we were interested particularly to differentiation method which requires a minimal knowledge on the noise and/or the input signal. Our work is registred in this context and address both aspects theoretical and applications. From the theoretical point of view, a study of two families of differentiation algorithm was performed. Firstly, we studied the algorithm based on the algebraic development [the work of the project INRIA-ALIEN] and secondly the differentiators of higher order sliding modes [work Levant] for detailed study. This study allowed us to describe the advantages and disadvantages of each approach. Following this study, a new version of sliding modes differentiator was proposed, this last one being the main theoretical contribution of this thesis. To test the efficiency of the proposed version, differents applications were carried out. The first application in 1D is shown, which consists in use the proposed differentiator for online parametric identification of a two-axis SCARA robot. The identification method is validated experimentally by comparing the results obtained with those given by other methods (method online and offline). The second application relates to the 2D domain. In this case, we propose the implementation of the differentiator for the edge detection in an image. To validate the results, various tests are carried out for different types of noise. In order to have some comparison basis, we use the filter Canny and Prewitt masks and the gradient. To test the effectiveness of the differentiator in control loops we are interested in electrohydraulic systems. For this, a model of the hydraulic and mechanical system is made. After a consideration of some assumptions on the simulation model, the control models are provided. To separate the dynamic servovalve/ actuator, a local study is performed. The last part of this work is dedicated to the synthesis of control strategy through the backstepping technique for the positioning of the electro-hydraulic axis in order to test the effectiveness of the proposed algorithm in the control loop. As a basis for comparison, the classic version of sliding mode algorithm is also used.

Les effets d’extrémité jouent un rôle important dans la modélisation et la commande de la Machine Linéaire à Induction (MLI). Ces phénomènes augmentent significativement la non-linéarité du modèle de la machine et génèrent plusieurs difficultés pour contrôler et observer ses états avec de bonnes performances. Cette thèse aborde trois problématiques distinctes : la commande robuste de la MLI, l’estimation de la vitesse et du flux de la MLI et le contrôle robuste à base d’observateur en utilisant la théorie du mode glissant d’ordre supérieur.Dans la première partie de la thèse, trois contrôleurs robustes assurant la poursuite de trajectoire de la vitesse et du flux pour la MIL ont été développés : le Super Twisting (ST), le Super Twisting Adaptatif (STA) et le Twisting Adaptatif (TA). Ces commandes ont été testées en simulations et leurs performances ont été démontrées. Ainsi, le ST assure un contrôle continu avec convergence à temps fini de l’erreur à zéro malgré les perturbations, sous l’hypothèse que les bornes des incertitudes sont connues. Cette hypothèse est relaxée dans le cas du TA et du STA grâce à leurs propriétés adaptatives.Dans la deuxième partie de la thèse, un nouveau modèle du MLI a été proposé et son observabilité a été démontrée. Ensuite un Observateur par Mode Glissant d’Ordre Deux (MGOD) et un Observateur par Mode Glissant d’Ordre Supérieur (MGOS) ont été synthétisé afin d’estimer la vitesse et le flux du MLI, uniquement en utilisant la mesure des tensions et des courants statorique. La stabilité des deux observateurs a été prouvée par une approche de Lyapunov et leurs performances ont été démontrées à travers des simulations.Dans la dernière partie de la thèse, deux commandes par rejet actif des perturbations sont synthétisées. Ainsi et dans un premier temps, le modèle de la MLI est décomposé en deux sous-systèmes du second ordre. Ensuite, deux contrôleurs (le twisting et le super-twsiting) ont été synthétisés afin d’assurer la poursuite du flux et de la vitesse. Le MGOS est utilisé pour estimer les dérivées du flux et de la vitesse, ainsi que pour l’estimation en temps réel de la perturbation. Les contrôleurs quant à eux assurent la compensation des perturbations et la poursuite des trajectoires du flux et de la vitesse. La stabilité et la convergence des deux commandes proposées ont été prouvées et leurs performances démontrées par simulation. / Dynamic end effects play an important role in the Linear Induction Machine (LIM) control. They increase significantly the nonlinearity of the machine model and generate several difficulties to control and observe states with good performances. This thesis addresses three distinctissues: LIM robust control, LIM speed and flux estimation and observer-based robust control using higher order sliding mode theory.In the first part, to achieve speed and flux tracking,Super Twisting Controller (STC), Adaptive Super Twisting Controller (ASTC), and Adaptive Twisting Controller (ATC) were proposed and implemented into LIM system with great performance, i.e. finite time convergence and robustness properties. Among them, STC ensures continuous control with finite time convergence of the error to zero despite disturbances, under the assumption that their bounds are known. ATC and ASTC can deal with unknown bounded disturbance thanks to their adaptive properties.In the second part, a novel simplified LIM model was proposed and its observability has been proved. Then, Second Order Sliding Mode Observer (SOSMO) and Adaptive High Order Sliding Mode Observer (HOSMO) were proposed to estimate LIM speed, only by using the measured stator voltages and stator currents. SOSMO observer is based on the super twisting algorithm and its stability has been proved with Lyapunov’s theory, which can guarantee finite time convergence with less chattering. Adaptive HOSMO strategy combines speed adaptive algorithm and HOSMO method together to estimate rotor fluxes and speed simultaneously.In the third part, the LIM is viewed as two second order subsystems. Moreover, only the speed and the flux are supposed to be measured. Based on that two differentcontrollers based on HOSMO were presented in order to achieve flux and speed tracking. In both controllers, the idea of active disturbance rejection control is applied. Hence, the HOSMO is used to estimate the derivatives of the flux and the speed, as well as the disturbance. Then, in order to deal with the uncertainty in the measured variables, two different SM controllers are proposed. Firstly, the TC is applied in the LIM. However, the control signal in this case is discontinuous. Then, in order to provide a continuous control signal, the TC is replaced with STC. The stability and convergence of proposed TC-HOSMO and STC-HOSMO approaches were given and simulation validated their performances.

Cette thèse porte sur le développement de nouvelles stratégies de commande et d’observation adaptatives par Modes Glissants (MG) et par Modes Glissants d’Ordres Supérieurs (MGOS). En effet, la mise en œuvre des commandes par MG et MGOS classiques nécessite la connaissance des limites supérieures des perturbations ou de leurs dérivées, souvent inconnues. Le premier apport de cette thèse est la synthèse d’une stratégie d’adaptation permettant d'assurer la convergence de la variable de glissement vers un voisinage prédéfini de zéro sans nécessiter d'informations sur les perturbations ou leurs dérivées et sans surestimation du gain. Cette stratégie est ensuite déclinée pour concevoir : deux commandes par MG d’ordre 1 et 2, une commande par mode glissant intégral, ainsi qu’une version du différenciateur de Levant. La deuxième contribution de la thèse est la mise au point de deux commandes adaptatives par MGOS discontinues. Ces deux algorithmes assurent un mode glissant d'ordre n en s’affranchissant de la connaissance de la limite supérieure de la perturbation et de sa dérivée. Enfin, afin de montrer l’efficacité des algorithmes proposés, ils sont appliqués avec succès à travers des simulations pour la commande d’un système de conversion de l’énergie éolienne et la commande d’un moteur à induction linéaire pour la cogénération. / This thesis deals with the development of novel strategies to adapt higher order sliding mode controllers and observers. The implementation of classics first order and higher order sliding mode controllers requires the knowledge of the upper bound of the disturbance or its derivative, which are often not known. The first contribution of this thesis is the design of an adaptive strategy that can ensure the convergence of the sliding variable to a predefined neighborhood of zero without requiring any information of the disturbance or its derivative and without overestimating the adaptive gain. This adaptive strategy is then declined for the design of the first order, second order and integral sliding mode controllers, and for the Levant's differentiator. The second contribution of the thesis is the development of two adaptive strategies for discontinuous higher order sliding mode control. The proposed two algorithms can provide the achievement of n-order sliding mode despite disturbances with unknown upper bounds or with unknown upper bounds of their derivatives. Finally, in order to show the effectiveness of the proposed algorithms, they are successfully applied through simulations to control the wind energy conversion system and the linear induction motor system for cogeneration.

Les systèmes non linéaires sont si diverses que des outils communs de contrôle sont difficiles à développer. La théorie du contrôle non linéaire nécessite une analyse mathématique rigoureuse pour motiver ses conclusions. Cette thèse aborde deux branches distinctes et bien importantes de la théorie du contrôle non linéaire: le contrôle des systèmes non-linéaires incertains et le contrôle des systèmes sous-actionnés.Dans la première partie, une classe de contrôleurs par mode glissant d’ordre supérieur (MGOS) robuste, basée sur la synthèse de Lyapunov, est développée pour le contrôle des systèmes non-linéaires incertains. Cette classe de contrôleurs est basée sur une classe de régulateurs qui stabilisent une pure chaîne d’intégrateurs en temps fini, et nécessite la connaissance a priori des bornes sur les incertitudes du système. Puis, afin d’éliminer la dépendance liée à la connaissance de ces bornes, un contrôleur par MGOS adaptatif est développé. Dans un deuxième temps, un contrôleur par MGOS homogène universel est développé où il est montré que le degré d’homogénéité peut être manipulé pour obtenir des avantages supplémentaires, tels que la bornitude de la commande, la garantie d’une amplitude minimale de la discontinuité de la commande et la convergence en temps fixe. Les performances des contrôleurs proposés ont été démontrées par des simulations et à travers des résultats expérimentaux sur un système pile à combustible.Dans la deuxième partie de la thèse, deux problèmes de commande de systèmes sous-actionnés sont étudiés. Le premier problème concerne le suivi de chemin global d’un robot mobile avec un point de visée. Le deuxième problème concerne la poursuite de trajectoire globale d’un bateau. Ces deux problèmes sont de nature distincte, cependant, ils sont soumis à des contraintes physiques similaires liées à la bornitude de la commande. Ainsi, les contrôleurs proposés sont basés sur l’utilisation de commandes saturées. Des simulations ont été effectuées pour démontrer les performances de ces contrôleurs. / Nonlinear systems are so diverse that generalized tools for control are difficult to develop. Nonlinear control theory requires rigorous mathematical analysis to justify its conclusions. This thesis addresses two distinct, yet important branches of nonlinear control theory: control of uncertain nonlinear systems and control of under-actuated systems.In the first part, a class of Lyapunov-based robust arbitrary higher order sliding mode (HOSM) controllers is developed for the control of uncertain nonlinear systems. This class of controllers is based on a class of controllers for finite-time stabilization of pure integrator chain, and requires the limits of the system uncertainty to be known a-priori. Then, in order to eliminate the dependence on the knowledge of these limits, an adaptive arbitrary HOSM controller is developed. Using this new class, a universal homogeneous arbitrary HOSM controller is developed and it is shown that the homogeneity degree can be manipulated to obtain additional advantages in the proposed controllers, such as bounded control, minimum amplitude of discontinuous control and fixed time convergence. The performance of the controllers has been demonstrated through simulations and experiments on a fuel cell system.In the next part, the control of two under-actuated systems is studied. The first control problem is the global path following of car-type robotic vehicle, using target-point. The second problem is the precise tracking of surface marine vessels. Both these problems are distinct in nature; however, they are subjected to similar physical constraints. The solutions proposed for these control problems use saturated controls, taking into account the physical bounds on the control inputs. Simulations have been performed to demonstrate the performance of these controllers.