Ce travail concerne le développement de méthodes de commandes avancées pour les suspensions automobiles afin d'améliorer la tenue de route des véhicules et le confort des passagers, tout en respectant les contraintes technologiques liées aux actionneurs de suspension (passivité, non-linéarités, limite structurelle). Dans la 1ère partie, nous proposons deux schémas de commande par approche LPV polytopique (Linéaire à Paramètre Variant) et Stabilisation Forte (Strong Stabilization) avec optimisation par algorithme génétique pour résoudre les conflits confort/tenue de route et confort/débattement de suspension. Dans la 2ème partie, pour résoudre le problème complet de commande de suspensions semi-actives, nous développons d'abord une stratégie générique pour les systèmes LPV généraux soumis à la saturation des actionneurs et à des contraintes d'état. Le problème est étudié sous la forme de résolution d'inégalités linéaires matricielles (LMI) qui permettent de synthétiser un contrôleur LPV et un gain anti wind-up garantissant la stabilité et la performance du système en boucle fermée. Ensuite, cette stratégie est appliquée au cas de la commande des suspensions semi-actives. Les méthodes proposées sont validées par une évaluation basée sur un critère industriel et des simulations effectuées sur un modèle non-linéaire de quart de véhicule. / This work concerns the development of advanced control methods for automotive suspensions to improve road holding and passenger comfort, while satisfying the technological constraints related to the suspension actuators (passivity, nonlinearity, structural limit). In the first part, we propose two control schemes by polytopic LPV (Linear Parameter Varying) approach and by Strong Stabilization with genetic algorithm optimization to solve the comfort/handling and comfort/suspension travel conflits. In the second part, to solve the full semi-active suspension problem, we develop first a generic strategy for general LPV systems subject to actuator saturation and state constraints. The problem is studied in the form of resolution matrix of linear inequalities (LMI) that allows synthesizing an LPV controller and an anti-windup gain to ensure the stability and performance of the closed-loop system. Second, the theoretical result is applied to the case of semi-active suspension control. The proposed methods are validated by an evaluation based on an industrial standard and simulations on a nonlinear quarter vehicle model.

Les travaux effectués lors de cette thèse se sont focalisés sur les applications des méthodes et techniques d’Automatique avancée à des problématiques actuelles de l’automobile. Les sujets abordés ont porté sur trois axes fondamentaux en s’appuyant sur des techniques telles que la synthèse H infini LTI et q-LPV, la linéarisation par bouclage dynamique, la retouche de correcteurs de type PI en particulier et l’optimisation des pondérations des filtres nécessaires aux synthèses H infini :• Contrôle de la trajectoire d’un véhicule automobile. Nous avons proposé une structure de commande reprenant une démarche classiquement mise en œuvre dans le milieu aéronautique ou spatial.• Contrôle de la chaîne d’air d’un moteur essence, turbocompressé. Nous avons proposé une formulation novatrice de type q-LPV du modèle du moteur. Cette formulation d’un nouveau modèle de commande nous a permis de synthétiser des correcteurs évolués à paramètres variables qui s’adaptent automatiquement au point de fonctionnement.• Contrôle du freinage d’un véhicule électrique. Pour cette partie, nous avons précisé la motivation et l’intérêt des véhicules électriques, puis étudié le gain d’autonomie potentiellement accessible par la mise en œuvre d’une récupération d’énergie au freinage. Finalement, des solutions permettant de réduire les oscillations induites dans la chaîne de traction par des demandes de couple freineur à la machine électrique ont été développées. / The work achieved in this PhD thesis is dedicated to applications of advanced control methodologies to problems currently faced in the automotive field. Three main areas of investigation were successively considered, using advanced techniques such as H infinity LTI and q-LPV design procedures, dynamic feedback linearization, retuning of controllers, in particular PI-type, and optimization of filters required by the H infinity design procedure:• Trajectory control of automotive vehicle. A control structure has been proposed which is based on the procedure classically developed in the aeronautics field.• Robust nonlinear control of the air path of an internal combustion engine. An innovative q-LPV formulation of the motor has been proposed, which has enabled design of advanced controllers with varying parameters. These parameters are automatically updated according to the operating point.• Optimal control laws for brakes’s torque blending on electrical vehicle. Motivation and interest for electrical vehicle has been first detailed, then potential gain in autonomy due to regenerative braking has been studied. Finally, solutions which reduce oscillations in the power train chain induced by torque demand to the electrical machine during braking phases has been developed.

The need to design a controller that self-schedules itself during the flight of an aircraft has been an active area of research. New methods have been developed beyond the traditional gain-scheduling approach. One such design method leads to a linear parameter varying (LPV) controller that changes based on the real-time variation of system dynamics. Before such a controller can be designed, the system has to also be represented as an LPV system. The current effort proposes a LPV modeling technique that is inspired by an affine LPV modeling techniques found in recent research. The properties of the proposed modeling method are investigated and compared to the affine modeling technique. It is shown that the proposed modeling technique represents the actual system behavior more closely than the existing affine modeling technique. To study the effect of the two LPV modeling techniques on controller design, a linear quadratic regulator (LQR) controller using linear matrix inequality (LMI) formulation is designed. This control design method provides a measure of conservatism that is used to compare the controllers based on the different modeling techniques. An F-16 short-period model is used to implement the modeling techniques and design the controllers. It was found that the controller based on the proposed LPV modeling method is less conservative than the controller based on the existing LPV method. Interesting features of LMI formulation for multiple plant models were also discovered during the exercise. A stability robustness analysis was also conducted as an additional comparison of the performance of the controllers designed using the two modeling methods. A scalar measure, called the probability of instability, is used as a measure of robustness. It was found that the controller based on the proposed modeling technique has the necessary robustness properties even though it is less conservative than the controller designed based on the existing modeling approach. / Master of Science

Les travaux effectués lors de cette thèse se sont focalisés sur les applications des méthodes et techniques d'Automatique avancée à des problématiques actuelles de l'automobile. Les sujets abordés ont porté sur trois axes fondamentaux en s'appuyant sur des techniques telles que la synthèse H infini LTI et q-LPV, la linéarisation par bouclage dynamique, la retouche de correcteurs de type PI en particulier et l'optimisation des pondérations des filtres nécessaires aux synthèses H infini :* Contrôle de la trajectoire d'un véhicule automobile. Nous avons proposé une structure de commande reprenant une démarche classiquement mise en œuvre dans le milieu aéronautique ou spatial.* Contrôle de la chaîne d'air d'un moteur essence, turbocompressé. Nous avons proposé une formulation novatrice de type q-LPV du modèle du moteur. Cette formulation d'un nouveau modèle de commande nous a permis de synthétiser des correcteurs évolués à paramètres variables qui s'adaptent automatiquement au point de fonctionnement.* Contrôle du freinage d'un véhicule électrique. Pour cette partie, nous avons précisé la motivation et l'intérêt des véhicules électriques, puis étudié le gain d'autonomie potentiellement accessible par la mise en œuvre d'une récupération d'énergie au freinage. Finalement, des solutions permettant de réduire les oscillations induites dans la chaîne de traction par des demandes de couple freineur à la machine électrique ont été développées.

L'utilisation de correcteur discret à période d'échantillonnage variable peut être intéressante dans plusieurs cas, par exemple lorsque la mesure, bien qu'envoyée de façon périodique, est reçue à intervalle variable. C'est le cas en milieu marin lorsque la mesure d'altitude est effectuée avec un capteur à ultrason (la durée du trajet du signal dans l'eau dépend de la distance par rapport au fond). Le délai variable entre deux réceptions de mesures, peut être vu comme une variation de période d'échantillonnage pour le contrôleur. La synthèse de lois de commande discrète à période d'échantillonnage variable a déjà été étudiée pour des systèmes stationnaires. On se propose ici d'étendre cette méthode pour des systèmes Linéaires à Paramètres Variants (LPV), qui permettent de conserver des paramètres importants d'un système non-linéaire en temps que paramètres d'un système linéaires. La synthèse de contrôleur repose sur le méthodologie H∞, appliquée aux systèmes LPV. En particulier, on s'intéressera à deux approches existantes dans la littérature : l'approche polytopique (où le paramètre variant évolue dans un volume convexe) et la Représentation Linéaire Fractionnelle (LFR). La méthode proposée est appliquée au contrôle d'un AUV (Autonomous Underwater Vehicle), qui est système difficile à contrôler du fait d'importantes non-linéarités. Des résultats de simulations permettront de montrer l'intérêt de la méthode pour le contrôle d'altitude d'un AUV, et notamment les améliorations apportées par l'ajout de paramètres issus du système non-linéaire au modèle utilisé pour la synthèse des régulateurs. / Discrete time controller using variable sampling can ba interesting in several cases, for axample when the measure, even if send periodically, is received with a variable interval. This is the case in submarine environement, when the altitude measurement is done using an ultrasonic sensor. Discrete control laws synthesis with variable sampling period have already been studied for LTI systems. The results are here extended to Linear Parameter Varying systems, that allow to keep some non-linearities as parameters of a linear system. In particular, two approaches are investigated : the polytopic and the LFR. The proposed method is applied for the altitude control of an autonomous underwater vehicle (AUV). Simulations results will show the interest of the method, in particular how results are improved by adding some parameters coming from the non linear model.

La chaîne d'air du moteur est devenue un élément essentiel dans le développement des moteurs modernes. Le contrôle du système d'air a un impact direct sur les performances du moteur ainsi que sur son niveau d'émission de polluants. En effet, les stratégies qui agissent sur le système d'air permettent de contrôler les composants introduits dans le cylindre, ce qui est un moyen efficace et rentable de réduire les émissions polluantes. En conséquence, les chaînes d'air des moteurs modernes sont devenues de plus en plus complexes afin d'atteindre les stratégies de réduction de pollution et de permettre des réductions de consommation de carburant. Dans ce contexte, cette thèse se focalise sur la modélisation et le contrôle de la chaîne d'air des moteurs Diesel. / The engine air-path has become a crucial part in the development of modern engines. The control of the air-path has a direct impact on the engine performance as well as on its pollutant emission level. Indeed, air system strategies allow controlling the species that are introduced in the cylinder, which is a cost-effective way to reduce pollutant emissions. As a consequence, the automotive air systems have become increasingly complex in order to achieve pollutant reduction strategies and to allow fuel consumption reductions. In this context, this thesis focuses on the modeling and control of the air-path of Diesel engines. We divide this work into short-term developments and medium-long term developments.

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La conception d'une stratégie de gestion des flux de puissance au bord des véhicules électriques de puissance moyenne est considérée, dont le système d'alimentation est composé de différentes sources électriques : pile à combustible, batterie et super-condensateur. Chacune des sources est spécialisée à travailler dans une certaine zone fréquentielle, i.e., la pile à combustible fourni sa puissance en bas fréquence, tandis que le super-condensateur jeu son rôle en haute fréquence, la batterie fournissant la parti moyenne fréquence. Le système est bilinéaire ; il est transformé par linéarisation dans un système linéaire à des paramètres variants. A cette fin, nous proposons les techniques de commande multi-variable robuste de type LPV (linear parameter varying)/Hinf afin de spécifier la dynamique du courant de chaque source dans sa zone fréquentielle de préférence, en contribuant ainsi à la prolongation de sa durée de vie. Chaque source électrique est couplée avec un convertisseur DC-DC, les trois convertisseurs étant couplés en parallèle à un bus DC commun qui alimente le moteur électrique du véhicule jouant le rôle de la charge. La tension de ce bus DC doit être maintenue autour une valeur désirée. Les trois sources sont coordonnées pour fournir la puissance demandée par la charge quel que soit le cycle de conduite. Nous proposons également une méthode de réduction model pour simplifier le contrôleur LPV/ Hinf, qui sera adapté à l'implémentation pratique. Le système complet est simulé numériquement sur MATLAB/Simulink et réalisé pratiquement en utilisant deux cycles des conduites : le cycle européen normalisé (NEDC) et un cycle de conduite proposé par IFSTTAR (Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux). / In this thesis the problem of multi-source power sharing strategy within electric vehicles is considered. Three different kinds of power sources { fuel cell, battery and supercapacitor } compose the power supply system, where all sources are current-controlled and paralleled together with their associated DC-DC converters on a common DC-link. The DC-link voltage must be regulated regardless of load variations corresponding to the driving cycle. The proposed strategy is a robust control solution using a MIMO LPV/Hinf controller which provides the three current references with respect to source frequency characteristics. The selection of the weighting functions is guided by a genetic algorithm whose optimization criterion expresses the frequency separation requirements. A reduced-order version of the LPV/Hinf controller is also proposed to handle an embedded implementation with limited computational burden. The nonlinear multi-source system is tested by using two different types of driving cycles: the New European Driving Cycle (NEDC), the driving cycle of IFSTTAR (Institut Francais des Sciences et Technologies des Transports, de l'Amenagement et des Reseaux). Simulation and real-time application results show good performance in supplying the load at constant DC-link voltage according to user-configured frequency-separation power sharing strategy.

A mathematical model of a small fixed-wing aircraft was developed through application of parameter estimation techniques to simulated flight test data. Multiple controllers were devised based on this model for path following, including a self-scheduled linear parameter-varying (LPV) controller with path curvature as a scheduling parameter. The robustness and performance of these controllers were tested in a rigorous MATLAB simulation environment that included steady winds and gusts, measurement noise, delays, and model uncertainties. The linear controllers designed within were found to be robust to the disturbances and uncertainties in the simulation environment, and had similar or better performance in comparison to a nonlinear control law operating in an inner-outer loop structure. Steps are being taken to implement the resulting controllers on the unmanned aerial vehicle (UAV) testbed in the Nonlinear Systems Laboratory at Virginia Tech. / Master of Science

L’identification de systèmes est un sujet très utilisé à la fois dans le monde académique et industriel. Des nombreuses méthodes d’identification de systèmes invariants dans le temps existent dans la littérature et beaucoup d’algorithmes sont utilisés dans la modélisation pratique des systèmes. Ces outils offrent des résultats satisfaisants, mais ils ne sont pas capables de reproduire le caractère non linéaire présent dans les comportements des systèmes physiques. Ce besoin a conduit à l’apparition de la classe des systèmes linéaires à paramètres variants (LPV), capable de modéliser les aspects non linéaires des systèmes. Dans le cadre de cette thèse, différentes méthodes d’identification « classiques » ont été étudiées et modifiées pour prendre en compte le cas des modèles LPV.Dans un premier temps une étude sur les représentations et discrétisations des systèmes LPV a été réalisée. Ensuite, les méthodes à erreur de prédiction ont été étudiées et appliquées en vue d’identifier le comportement latéral d’un véhicule, en considérant la vitesse du véhicule comme paramètre variant. Les méthodes à erreur de prédiction ont été également appliquées afin de modéliser un convertisseur de puissance Buck, dont le comportement est sensible au changement de la résistance de charge, considérée comme paramètre variant. L’étude a été poursuivie avec la conception d’une loi de commande H_∞ de type LPV, appliquée au cas du convertisseur.Finalement, les méthodes des sous-espaces classiques ont été abordées et modifiées pour identifier les modèles LPV et appliquées au cas du comportement latéral d’un véhicule. / The identification system is a topic widely used both in the academic world and industry. Several methods of identification of time invariant systems exist in literature and many algorithms are used in practice for modeling real systems. These tools offer satisfactory results, but they are not able to reproduce the non-linearity occurring in the behavior of physical systems. The necessity of more has led to the occurrence of the class of linear systems parameter varying (LPV), able to model the nonlinear system aspects. In this thesis, different classical identification methods have been studied and their structures were modified, in order to take into account the LPV models. First, a study of representations and discretization of LPV models was performed. In the sequel, the prediction error methods have been studied and modified in order to take into account LPV models. This method was used to identify the lateral behavior of a vehicle, considering the speed of the vehicle as varying parameter. The prediction error method has also been applied to model a Buck converter, the behavior of which is sensitive to the changes of load resistance, the considered varying parameter. The study was continued with the design of a H_∞ LPV control law, applied to the converter. Finally, subspace methods were studied, modified for LPV models and applied to identify the lateral behavior of a vehicle.