Le travail de thèse concerne la conception d'un système de surveillance robuste aux incertitudes paramétriques à base de modèles bond graphs sous forme LFT (Linear Fractional Transformations).<br />Une procédure de génération automatique de résidus robustes et de seuils adaptatifs de fonctionnement normal a été développée et implémentée à l'aide d'outils logiciels appropriés. Les performances du diagnostic sont contrôlées par une analyse de la sensibilité de ces résidus, permettant de définir des indices de sensibilité aux incertitudes paramétriques, et des indices de détectabilité des défauts. L'outil bond graph permet par sa nature physique d'estimer a priori les valeurs détectables des défauts physiques.<br />Outre l'implémentation informatique, les résultats de recherche sont validés par deux applications industrielles de complexité différente :<br /> un système électromécanique pour détecter et isoler des défauts tels que la variation anormale de l'amplitude du jeu dans la partie réducteur, tout en distinguant le défaut des variations paramétriques<br /> un procédé énergétique de génération de vapeur, qui constitue un système non stationnaire, où l'espace paramétrique est plus complexe.

La conception des structures assemblées nécessite de disposer d'outils de simulation prédictifs permettant de minimiser les écarts entre les comportements réel et simulé de ces structures. Et ce, d'autant plus que les exigences en terme de performance du système sont élevées et qu'une conception optimale est recherchée. Lors du dimensionnement des structures assemblées, la pratique généralement adoptée en bureau d'étude consiste à définir un coefficient de sécurité permettant de tenir compte de la variabilité du comportement réel de ces structures. L'inconvénient est de conduire nécessairement à un surdimensionnement qui peut aller à l'encontre des objectifs de dimensionnement optimal de ces structures. Les liaisons sont le siège de phénomènes non-linéaires tels que le contact ou le frottement et différentes sources d'incertitude induisent une variabilité sur les caractéristiques dynamiques réelles des liaisons. Malgré les capacités des calculateurs actuels, la prise en compte conjointe des phénomènes non linéaires et des incertitudes lors de la simulation de structures assemblées complexes reste difficilement envisageable par une approche directe. L'objectif de ce travail est de proposer une approche pragmatique de caractérisation du comportement vibratoire des structures légères assemblées en tenant compte de la variabilité des paramètres des liaisons. L'intérêt de cette approche est de pouvoir être intégrée dans une phase de dimensionnement robuste. On peut ainsi envisager de dimensionner une solution d'amortissement des vibrations d'une structure assemblée en tenant compte de la variabilité du comportement réel des liaisons de cette structure. Ce travail étudie d'abord le comportement dynamique d'une structure légère réelle afin d'identifier un modèle nominal «juste suffisant» des liaisons considérées. Une approche non intrusive de caractérisation du comportement vibratoire d'une structure en présence de paramètres incertains est ensuite proposée. Cette approche, intitulée approche SMR (pour Stochastic Model Reduction), exploite le fait que la variabilité des vecteurs propres d'une structure est généralement d'un ordre de grandeur inférieur à la variabilité des fréquences propres associées ce qui permet de réduire considérablement le coût de calcul de l'approche tout en gardant une bonne précision sur l'estimation des fréquences propres aléatoires de la structure. Le principe de l'approche est alors d'adapter la modélisation stochastique à chaque fréquence propre aléatoire en fonction d'une exigence de précision globale sur l'ensemble des fréquences propres aléatoires recherchées. Le point clé de cette approche consiste à identifier le modèle stochastique adapté à chaque configuration de fréquence propre, pour cela un indicateur sans coût de calcul supplémentaire est proposé. Finalement, un modèle stochastique des liaisons de la structure considérée est proposé et l'approche SMR est utilisée dans un processus d'optimisation basé sur le principe du maximum de vraisemblance pour identifier les paramètres de ce modèle. Cette dernière étape de la démarche proposée permet alors de caractériser le comportement vibratoire de structures assemblées constituées de nombreuses liaisons en tenant compte de la variabilité du comportement de chacune des liaisons. La démarche mise en place dans le cadre de cette thèse est alors concrétisée par la proposition d'une stratégie originale de réduction robuste des vibrations d'une structure assemblée légère. / Predictive models are needed to properly design assembled structures. The main issue with this kind of structure is to deal with non-linear phenomena as contact or friction while considering sources of uncertainties mainly responsible for the deviation between the effective behavior of the structure and results from deterministic simulations. This work aims to provide a pragmatic approach to characterize the vibrational behavior of light assembled structures considering the variability of parameters of the joints. This approach would be useful for robust design of solutions, such as solutions for damping vibrations, dedicated to assembled structures and taking into account the variability of the real behavior of each joint.In this work, the dynamical behavior of an actual light structure is studied in order to identify a "just sufficient" nominal model of the considered joints. A non intrusive approach is then proposed to reduce the vibrational stochastic model of a structure with random parameters is then proposed. This approach, referred as the SMR approach (for Stochastic Model Reduction approach), takes advantage of the order of variability of random eigenvectors which is usually lower than the variability of corresponding random eigenfrequencies. It then allows to significantly reduce the computational cost for a given accuracy to estimate the structure random eigenfrequencies. The cornerstone of this approach is to adapt the stochastic modeling to each random eigenfrequency depending on a global accuracy requirement on the whole set of sought random eigenfrequency. The key point is then to identify the stochastic model used for each configuration of random eigenfrequency. A computationally free indicator is then proposed. Finally, a stochastic mechanical model of the joints of the studied structure is proposed. The SMR approach is used in an optimization process based on the maximum likelihood principle to identify the parameters of this stochastic model. This last step allows to characterize the vibrational behavior of assembled structures involving many joints taking into account the variability of each joints. This work is then concluded by applying the proposed approach to the design of an original strategy for robust reduction of vibration of light structures.

Les débris en orbite sont actuellement une source de préoccupation majeure pour les acteurs du spatial et pour le reste de la population, comme en témoignent les articles de presse et les œuvres cinématographiques sur le sujet. En effet, la présence de ces objets menace directement les astronautes en mission et les satellites en opération. Parmi les nombreuses options déjà envisagées pour les traiter, cette thèse se concentre sur l’approche robotique, en proposant des outils et des méthodes de modélisation et de contrôle pour un satellite chasseur équipé d’un bras manipulateur. Des modèles dynamiques et des schémas de simulation optimisés sont ainsi développés pour tout système multi-corps constitué d’une base mobile supportant un nombre quelconque d’appendices rigides ou flexibles. Par la suite, les trajectoires de capture sont générées en conservant la continuité en accélération avec le mouvement naturel du point cible, dans le but de saisir aussi délicatement que possible le débris en rotation. Le suivi de cette trajectoire par l’effecteur du robot chasseur est alors assuré par une loi de contrôle à deux niveaux, dont le réglage repose sur la synthèse H1 structurée. Une étude de robustesse est également mise en place pour assurer la stabilité et les performances du système en boucle fermée, malgré les changements de configuration du bras. Enfin, la validation des travaux de thèse est réalisée par voie numérique avec un simulateur haute-fidélité, et par voie pratique avec un banc d’essais robotique incluant des composants physiques en temps réel. / On-orbit debris are currently causing deep concern for space agencies, related companies, and also among the population. ¿is is evidenced by the numerous scientific articles and recent movies on the matter. Indeed, these objects pose a serious threat for the astronauts on mission and for operational satellites. Among the various technical concepts already designed to address these threats, this thesis focuses on space robotics. Tools and methods are thus introduced for the modeling and control of a chaser satellite equipped with a manipulator. Dynamic models and optimized simulation schemes are developed to handle any multi-body system made up of amoving base embedding various appendages, either rigid or flexible. ¿en, a trajectory planner is designed to ensure acceleration continuity with the natural motion of the debris in order to perform a soft capture. ¿is reference trajectory is tracked by the end-effector of the chaser using a two-level control law, which is tuned by the structured H1 synthesis. A robustness analysis is also presented to assess the stability and the performances of the closed-loop system with respect to the motion of the robotic arm. Finally, the outcome of the thesis is validated by a twofold approach: by numerical means with a highfidelity simulator, and by practical ones with a robotic test bench including physical components in real time.

L’analyse dynamique des structures de grandes dimensions incluant de nombreux paramètres incertains et des non-linéarités localisées ou réparties peut être numériquement prohibitive. Afin de surmonter ce problème, des modèles d’approximation peuvent être développés pour reproduire avec précision et à faible coût de calcul la réponse de la structure.L’objectif de la première partie de ce mémoire est de développer des modèles numériques robustes vis-à-vis des modifications structurales (non-linéarités localisées, perturbations ou incertitudes paramétriques) et « légers » au sens de la réduction de la taille. Ces modèles sont construits, selon les approches de condensation directe et par synthèse modale, en enrichissant des bases de réduction tronquées, modale et de Craig-Bampton respectivement, avec des résidus statiques prenant compte des modifications structurales. Pour propager les incertitudes, l’accent est mis particulièrement sur la méthode du chaos polynomial généralisé. Sa combinaison avec les modèles réduits ainsi obtenus permet de créer des métamodèles mono et bi-niveaux, respectivement. Les deux métamodèles proposés sont comparés à d’autres métamodèles basés sur les méthodes du chaos polynomial généralisé et du Latin Hypercube appliquées sur des modèles complets et réduits. Les métamodèles proposés permettent d’approximer les comportements structuraux avec un coût de calcul raisonnable et sans perte significative de précision.La deuxième partie de ce mémoire est consacrée à l’analyse dynamique des structures périodiques non-linéaires en présence des imperfections : perturbations des paramètres structuraux ou incertitudes paramétriques. Deux études : déterministe ou stochastique, respectivement, sont donc menées. Pour ces deux configurations, un modèle analytique discret générique est proposé. Il consiste à appliquer la méthode des échelles multiples et la méthode de perturbation pour résoudre l’équation de mouvement et de projecter la solution obtenue sur des modes d’ondes stationnaires. Le modèle proposé conduit à un ensemble d’équations algébriques complexes couplées, fonctions du nombre et des positions des imperfections dans la structure. La propagation des incertitudes à travers le modèle ainsi construit est finalement assurée par les méthodes du Latin Hypercube et du chaos polynomial généralisé. La robustesse de la dynamique collective vis-à-vis des imperfections est étudiée à travers l’analyse statistique de la dispersion des réponses fréquentielles et des bassins d’attraction dans le domaine de multistabilité. L’étude numérique montre que la présence des imperfections dans une structure périodique renforce sa non-linéarité, élargit son domaine de multistabilité et génère une multiplicité de branches multimodale. / Dynamic analysis of large scale structures including several uncertain parameters and localized or distributed nonlinearities may be computationally unaffordable. In order to overcome this issue, approximation models can be developed to reproduce accurately the structural response at a low computational cost.The purpose of the first part of this thesis is to develop numerical models which must be robust against structural modifications (localized nonlinearities, parametric uncertainties or perturbations) and reduce the size of the initial problem. These models are created, according to the direct condensation and the component mode synthesis, by enriching truncated reduction modal bases and Craig-Bampton transformations, respectively, with static residual vectors accounting for the structural modifications. To propagate uncertainties through these first-level and second-level reduced order models, respectively, we focus particularly on the generalized polynomial chaos method. This methods combination allows creating first-level and second-level metamodels, respectively. The two proposed metamodels are compared to other metamodels based on the polynomial chaos method and Latin Hypercube method applied on reduced and full models. The proposed metamodels allow approximating the structural behavior at a low computational cost without a significant loss of accuracy.The second part of this thesis is devoted to the dynamic analysis of nonlinear periodic structures in presence of imperfections: parametric perturbations or uncertainties. Deterministic or stochastic analyses, respectively, are therefore carried out. For both configurations, a generic discrete analytical model is proposed. It consists in applying the multiple scales method and the perturbation theory to solve the equation of motion and then on projecting the resulting solution on standing wave modes. The proposed model leads to a set of coupled complex algebraic equations, depending on the number and positions of imperfections in the structure. Uncertainty propagation through the proposed model is finally done using the Latin Hypercube method and the generalized polynomial chaos expansion. The robustness the collective dynamics against imperfections is studied through statistical analysis of the frequency responses and the basins of attraction dispersions in the multistability domain. Numerical results show that the presence of imperfections in a periodic structure strengthens its nonlinearity, expands its multistability domain and generates a multiplicity of multimodal branches.

L’analyse et la synthèse des systèmes dynamiques ont connu un développement important au cours des dernières décennies comme l’atteste le nombre considérable des travaux publiés dans ce domaine, et continuent d’être un axe de recherche régulièrement exploré. Si la plupart des travaux concernent les systèmes linéaires et non linéaires temps continu, peu de résultats ont étaient établis dans le cas temps discret. Les travaux de cette thèse portent sur l’observation et la commande d’une classe de systèmes non linéaires à temps discret. Dans un premier temps, le problème de synthèse d’observateur d’état utilisant une fenêtre de mesures glissante est abordé. Des conditions de stabilité et de robustesse moins restrictives sont déduites. Deux classes de systèmes non linéaires à temps discret sont étudiées : les systèmes de type Lipschitz et les systèmes « one-sided Lipschitz ». Ensuite, une approche duale a été explorée afin de déduire une loi de commande stabilisante basée sur un observateur. Les conditions d’existence d’un observateur et d’un contrôleur stabilisant les systèmes étudiés sont formulées sous forme d’un problème d’optimisation LMI. L’efficacité et la validité des approches présentées sont montrées à travers des exemples académiques / The analysis and synthesis of dynamic systems has undergone significant development in recent decades, as illustrated by the considerable number of published works in this field, and continue to be a research theme regularly explored. While most of the existing work concerns linear and nonlinear continuous-time systems, few results have been established in the discrete-time case. This thesis deals with the observation and control of a class of nonlinear discrete-time systems. First, the problem of state observer synthesis using a sliding window of measurements is discussed. Non-restrictive stability and robustness conditions are deduced. Two classes of discrete time nonlinear systems are studied: Lipschitz systems and one-side Lipschitz systems. Then, a dual approach was explored to derive a stabilizing control law based on observer-based state feedback. The conditions for the existence of an observer and a controller stabilizing the studied classes of nonlinear systems are expressed in term of LMI. The effectiveness and validity of the proposed approaches are shown through numerical examples