Ce mémoire aborde la synthèse de filtres H∞ sur des domaines fréquentiels finis pour différentes classes de systèmes dynamiques, tels que les systèmes linéaires avec incertitudes paramétriques, les systèmes à retard, les systèmes non linéaires de type Takagi-Sugeno (TS) et les systèmes sous contraintes de communication. Les contributions portent sur le développement de nouveaux outils d'analyse et de synthèse de filtres H∞, qui sont moins restrictifs par rapport aux résultats existants dans la littérature et permettent de réduire le conservatisme de celles-ci tout en garantissant que les méthodes proposées soient numériquement efficaces. Les conditions de stabilité et de synthèse de filtres pour les différentes classes de systèmes dynamiques sont formulées en des problèmes d'optimisation convexe sous contraintes d'inégalités matricielles linéaires (LMIs). Des exemples numériques et des comparaisons avec des résultats récents de la littérature sont également présentés afin de montrer les avantages et l'intérêt des approches proposées / This work is concerned with the H∞ filtering problem in a finite frequency domain for different types of dynamic systems, such that uncertain systems, nonlinear systems via TS fuzzy model, time delay systems and systems with communication constraints. The main contribution is the development of new H∞ filter analysis and design approaches which reduce the conservatism of results found in the literature. The filter stability and design problems, for different classes of dynamic systems, are formulated as optimization problems with Linear Matrix Inequality (LMI). Simulation examples are presented to demonstrate the effectiveness and the less conservatism of the proposed approaches in comparison with other solutions that appear in the literature

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Dans cette thèse, les problématiques de la modélisation et du contrôle robuste de l’attitude des grandes structures spatiales flexibles sont considérées. Afin de satisfaire les performances de pointage requises dans les scénarios des futures missions spatiales, nous proposons d’optimiser directement une loi de commande d’ordre réduit sur un modèle de validation d’ordre élevé et des critères qui exploitent directement la structure du modèle. Ainsi, les travaux de cette thèse sont naturellement divisés en deux parties : une partie relative à l’obtention d’un modèle dynamique judicieusement structuré du véhicule spatial qui servira à l’étape de synthèse ; une seconde partie concernant l’obtention de la loi de commande.Ces travaux sont illustrés sur l’exemple académique du système masses-ressort, qui est la représentation la plus simple d’un système flexible à un degré de liberté. En complément, un cas d’étude sur un satellite géostationnaire est traité pour valider les approches sur un exemple plus réaliste d’une problématique industrielle. / In this thesis, modeling and robust attitude control problems of large flexible space structures are considered. To meet the required pointing performance of future space missions scenarios, we propose to directly optimize a reduced order control law on high order model validation and criteria that directly exploit the model structure. Thus, the work of this thesis is naturally divided into two parts : one part on obtaining a wisely structured dynamic model of the spacecraft to be used in the synthesis step, a second part about getting the law control. This work is illustrated on the example of the academic spring-masses system, which is the simplest representation of a one degree of freedom flexible system. In addition, a geostationary satellite study case is processed to validate developed approaches on a more realistic example of an industrial problem.

Dans l’industrie, l’automaticien doit concevoir une loi de commande unique qu’il valide sur un prototype unique, ayant un degré de robustesse suffisant pour satisfaire un cahier des charges complexe sur un grand nombre de systèmes. Pour cela, la méthodologie de développement qu’il emploie consiste en un processus itératif expérimental (phase d’essai-erreur), qui fait grandement appel à l’expérience de l’ingénieur. Dans cette thèse, on tente de rendre la méthodologie de synthèse des correcteurs des asservissements plus efficace car plus directe et donc moins couteuse en temps de développement en calculant un correcteur final (structuré) par une attaque directe de la spécification système haut niveau. La complexité des spécifications systèmes haut-niveau nous pousse à l’emploi des métaheuristiques : ces techniques d’optimisation ne nécessitent pas la formulation du gradient, la seule contrainte étant la possibilité d’évaluer la spécification. Ainsi avons-nous proposé dans ce travail de reformuler les problèmes de commande robuste pour l’optimisation stochastique : on montre dans ce travail comment on peut synthétiser des correcteurs structurés à partir de problématiques de type H ou -synthèse et on montre que l’intérêt de l’approche formulée réside dans sa flexibilité et la prise en compte de contraintes « exotiques » complexes ; les algorithmes évolutionnaires s’avérant très performants et compétitifs, nous avons finalement développé sur cette base une méthode originale de synthèse de correcteurs structurés et robustes vis-à-vis de critères d’optimisation de forme quelconque. La validation de ces travaux a été réalisée sur des exemples industriels de viseurs. / In the industrial framework, the control engineer must design a unique control law that valid on a single prototype, with a sufficient degree of robustness to satisfy a complex specification on many systems. For that purpose, his development methodology consists of an experimental iterative process (trial and error phase), which relies heavily on the experience of the engineer. In this thesis, we try to make the methodology for computing controllers more efficient and more direct with a less costly development time by calculating a final structured controller by a direct optimization on the high level specification.The complexity of high-level specifications pushes us to the use of metaheuristics: these optimization techniques do not require the formulation of the gradient, the only constraint being the possibility of evaluating the specification. Thus we proposed in this work to reformulate robust control problems for stochastic optimization: we show in this work how to synthesize structured controllers for control problems such H synthesis or -synthesis and show that the interest of the formulated approach lies in its flexibility and the consideration of exotic complex constraints. Evolutionary algorithms proving very effective and competitive, we finally developed on this basis a new method for synthesizing robust and structured controllers with respect to any form of optimization criteria. The validation of this work was carried out on the industrial example of the line of sight stabilization problem.

Ce document fait une synthèse de mon activité professionnelle d'enseignant-chercheur depuis mon recrutement à l'ESISAR en septembre 1999.<br /> Je présente ainsi tout d'abord, dans la partie I, mon curriculum vitae détaillé, incluant un CV résumé, une description de mes activités d'enseignement et une présentation générale de mes activités de recherche. Ces recherches sont très largement issues d'encadrement de masters recherche ou de thèses, et s'orientent autour des quatre thèmes principaux :<br /><br /> - la commande de véhicules,<br /> - l'analyse et le contrôle du trafic routier<br /> - le diagnostic des canaux d'irrigation<br /> - la commande, l'observation et le diagnostic des systèmes singuliers.<br /><br />La suite est un mémoire scientifique dédié uniquement aux systèmes algébro-différentiels, mettant en évidence mes contributions majeures issues de travaux personnels ou d'encadrements. L'objectif scientifique est de décrire les contributions apportées dans les thématiques présentées, sans entrer dans les justifications des résultats, ceux-ci ayant déjà été publiés.

Dans l’industrie, l’automaticien doit concevoir une loi de commande unique qu’il valide sur un prototype unique, ayant un degré de robustesse suffisant pour satisfaire un cahier des charges complexe sur un grand nombre de systèmes. Pour cela, la méthodologie de développement qu’il emploie consiste en un processus itératif expérimental (phase d’essai-erreur), qui fait grandement appel à l’expérience de l’ingénieur. Dans cette thèse, on tente de rendre la méthodologie de synthèse des correcteurs des asservissements plus efficace car plus directe et donc moins couteuse en temps de développement en calculant un correcteur final (structuré) par une attaque directe de la spécification système haut niveau. La complexité des spécifications systèmes haut-niveau nous pousse à l’emploi des métaheuristiques : ces techniques d’optimisation ne nécessitent pas la formulation du gradient, la seule contrainte étant la possibilité d’évaluer la spécification. Ainsi avons-nous proposé dans ce travail de reformuler les problèmes de commande robuste pour l’optimisation stochastique : on montre dans ce travail comment on peut synthétiser des correcteurs structurés à partir de problématiques de type H ou -synthèse et on montre que l’intérêt de l’approche formulée réside dans sa flexibilité et la prise en compte de contraintes « exotiques » complexes ; les algorithmes évolutionnaires s’avérant très performants et compétitifs, nous avons finalement développé sur cette base une méthode originale de synthèse de correcteurs structurés et robustes vis-à-vis de critères d’optimisation de forme quelconque. La validation de ces travaux a été réalisée sur des exemples industriels de viseurs. / In the industrial framework, the control engineer must design a unique control law that valid on a single prototype, with a sufficient degree of robustness to satisfy a complex specification on many systems. For that purpose, his development methodology consists of an experimental iterative process (trial and error phase), which relies heavily on the experience of the engineer. In this thesis, we try to make the methodology for computing controllers more efficient and more direct with a less costly development time by calculating a final structured controller by a direct optimization on the high level specification.The complexity of high-level specifications pushes us to the use of metaheuristics: these optimization techniques do not require the formulation of the gradient, the only constraint being the possibility of evaluating the specification. Thus we proposed in this work to reformulate robust control problems for stochastic optimization: we show in this work how to synthesize structured controllers for control problems such H synthesis or -synthesis and show that the interest of the formulated approach lies in its flexibility and the consideration of exotic complex constraints. Evolutionary algorithms proving very effective and competitive, we finally developed on this basis a new method for synthesizing robust and structured controllers with respect to any form of optimization criteria. The validation of this work was carried out on the industrial example of the line of sight stabilization problem.

Le contrôle latéral trouve de nombreuses applications dans le domaine de l'assistance à la conduite. Un grand nombre d'accidents de la route sont provoqués par des mouvements de roulis et de lacet excessifs engendrant des sorties de route. De plus, ce type d'accidents se produisent généralement sur les routes nationales et départementales, et environ 30 % des incidents impliquent des véhicules seuls. L'objectif de cette thèse est de mettre en œuvre un correcteur qui soit en mesure d'assister le conducteur dans les situations de suivi de voies et de rejeter diverses perturbations auxquelles est soumis le véhicule telles que des vents latéraux ou un dévers de la route, tout en respectant les contraintes de confort, d'agrément de conduite et les limitations pratiques de l'actionneur de direction. La stratégie d'assistance retenue consiste à ajouter un couple à celui délivré par le conducteur grâce à l'intégration d'un moteur à courant continu sur la colonne de direction. Elle tient compte des trois composantes que sont le véhicule, la colonne de direction et le conducteur. Les travaux se sont donc focalisés sur les techniques de commande robuste qui utilisent les synthèses Hinfini et Hinfini-LPV. L'implantation de correcteurs d'ordre élevé n'est pas souhaitable donc l'élaboration d'un correcteur d'ordre réduit s'avère donc une solution adaptée. D'abord dans le cadre d'une synthèse de correcteur Hinfini à vitesse fixe, les spécifications sont respectées. Le dispositif d'assistance active confère au système en boucle fermée de bonnes propriétés de robustesse comme l'a montré la mu-analyse. Ensuite pour améliorer le domaine de stabilité du système commandé, un correcteur séquencé par la vitesse longitudinale est synthétisé. Il est plus performant et les résultats obtenus dans les mêmes conditions que le correcteur Hinfini fixe sont meilleurs.

L'optimisation est un outil omniprésent, quoique parfois caché, de l'Automatique, que cela soit au moment de la modélisation, de l'identification ou de la synthèse de lois de commande (commande prédictive, commande optimale ou encore commande Hinfini). Nous présentons ici plusieurs résultats obtenus en Automatique par l'intermédiaire de l'optimisation. Une première partie aborde plusieurs travaux réalisés dans le cadre de coopérations industrielles (énergie, automobile...). Dans ce contexte, des approches classiques sont utilisées, fondées sur une modélisation adaptée du système à piloter et de son cahier des charges en vue de son optimisation. Cependant, lorsque la complexité du système à étudier devient trop grande, ces approches classiques atteignent leurs limites. C'est pourquoi une deuxième partie des travaux de recherche, plus théorique, s'intéresse au développement de méthodologiques génériques et novatrices, utilisant des algorithmes d'optimisation de type métaheuristiques (colonie de fourmis, optimisation par essaim particulaire, algorithmes génétiques). Les résultats présentés portent notamment sur la régression symbolique, le réglage de PID ou encore le réglage de pondération Hinfini. Enfin, une dernière partie tente de fermer la boucle en s'attachant au transfert effectif de ces nouvelles méthodologies dans l'industrie.

Après une introduction à l'analyse et au contrôle des systèmes singuliers linéaires, on étudie le placement optimal de capteurs et d'actionneurs, le diagnostic robuste et le contrôle de systèmes singuliers. Le placement optimal de capteurs et d'actionneurs pour les systèmes singuliers s'appuie sur une approche énergétique. Les capteurs et/ou actionneurs sont sélectionnés pour obtenir les plus grands transferts d'énergie entre le système et son environnement. Pour cela on cherche à maximiser les grammiens généralisés. Différentes méthodes de diagnostic robuste sont proposées. Une première approche dédiée aux systèmes maillés autorise une génération de résidus décentralisée afin de détecter et de localiser les défauts de mesures. Une deuxième méthode consiste à étendre le filtrage Hinfini à l'estimation des défaillances. Troisièmement, la génération de résidus fondée sur la factorisation copremière -dont l'intérêt majeur est de pouvoir synthétiser des générateurs de résidus au moyen de filtres propres- est généralisée aux systèmes singuliers. Enfin, la synthèse, et l'utilisation pour le diagnostic robuste, des observateurs de type proportionnel-intégral sont étudiées. Deux stratégies de contrôle de systèmes singuliers sont proposées. Le contrôle multicritère permet de déterminer des correcteurs statiques ou dynamiques assurant le placement de pôles, ainsi que des contraintes de normes H2 et Hinfini sur le système en boucle fermée. Le contrôle tolérant aux fautes intègre un module de diagnostic dans le correcteur afin de localiser les fautes, et de modifier la loi de commande pour minimiser la déviation des sorties dues aux fautes et aux perturbations. Les correcteurs sont des systèmes propres, déterminés par optimisation convexe sous contraintes LMI.

Dans cette thèse nous développons des structures de supervision permettant de définir des consignes optimales pour des actionneurs thermiques, ainsi que des stratégies de commande appropriées pour le pilotage d'une pompe à chaleur (PAC). Pour répondre à ces objectifs, plusieurs étapes ont été réalisées :- Modélisation orientée commande d'une PAC réversible, des thermistances, et de l'environnement permettant de les lier à l'intérieur de l'habitacle. Des modèles physiques ont été définis et intégrés dans une plateforme du type Model-in-the-Loop pour permettre a posteriori la validation des stratégies de commande et d'optimisation. - Commande d'une PAC. La linéarisation du modèle de PAC autour de certains points de fonctionnement a permis le développement de la commande de l'actionneur principal. La structure de commande proposée permet de prendre en compte, en boucle fermée, des contraintes d'état et d'entrée du système. Les performances de cette structure ont été analysées en considérant successivement des régulateurs principaux de type PI et Hinf. Enfin, des algorithmes réalisant le pilotage d'un actionneur secondaire du système ont été également proposés. - Optimisation des actionneurs thermiques. L'utilisation combinée de thermistances et de la PAC présente des avantages en termes de réduction de la consommation énergétique et/ou du maintien de la puissance thermique demandée dans des conditions aux limites de fonctionnement. Le problème d'optimisation a été résolu en deux temps : des solutions hors-ligne ont été obtenues par résolution d'un problème mixte en nombre entier avec modèle prédictif, puis utilisées pour déduire des stratégies embarquables sur le véhicule.