Ce doctorat est centré sur trois objectifs principaux. Le premier est le développement d’une stratégie de construction de retours d’état sans terme à retard qui stabilisent globalement asymptotiquement uniformément l’origine de systèmes variant dans le temps non linéaires ayant un retard distribué dans la commande. Le deuxième est l’adaptation de la célèbre technique de construction de lois de commande appelée backstepping au cas de systèmes non linéaires de forme feedback ayant dans la commande un retard ponctuel constant. Le troisième est la résolution d’un problème de stabilisation pratique pour une famille de systèmes non linéaires ayant un retard ponctuel dans l’entrée constant et ayant des commandes échantillonnées dont les instants d’échantillonnage dépendent de la valeur de la variable d’état du système. Chacun de ces trois objectifs est atteint au moyen de technique qui utilisent certains opérateurs d’un nouveau type. Des résultats de robustesse de type Input-to-State-Stability sont établis au moyen de fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii. / This PhD thesis is focused on three main objectives. The first goal is to develop a method of construction of state feedbacks without retarded terms that render the origin of timevarying nonlinear systems with a distributed input delay globally uniformly asymptotically stable.The second objective is the adaptation of the celebrated technique of construction of state feedbacks called ’backstepping’ to the case of nonlinear systems in feedback form with a pointwise constant delay in the input. The third aim of this thesis is to solve a problem of practical stabilization for a family of nonlinear systems with sampled retarded state feedbacks whose sampling instants depend on the value of the state variable of the system. Each of these three goals relies on the introduction of operators of a new type. Robustness results of Input-to-State-Stability type are established by using Lyapunov-Krasovskii functionals.

Cette thèse concerne la stabilisation exponentielle de systèmes commandés en réseaux (NCS en anglais) par retour de sortie. Les solutions proposées reposent sur un observateur distant et capable d’estimer l’état présent du processus malgré les différents retards générés par la présence du réseau. Le premier chapitre présente le contexte général des NCS et décrit plus particulièrement le problème étudié. Le chapitre suivant propose une architecture informatique permettant de réaliser un retour d’état distant basé sur une structure d’observateur. Deux autres chapitres proposent ensuite la synthèse d’un couple loi de commande / observateur garantissant des performances de convergence exponentielle. Les conditions correspondantes s’écrivent sous forme d’inégalités matricielles linéaires (LMI en anglais) et permettent donc une optimisation. Ces conditions sont basées sur la méthode des fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii et des résultats originaux sont proposés. Une première synthèse peut être effectuée globalement, une seconde permet d’adapter les performances dynamiques à la qualité de service disponible à chaque instant. La seconde approche fait intervenir des résultats originaux sur les systèmes à retards et à commutations. Dans un dernier chapitre, nous proposons une solution complètement asynchrone (gérée par événements). Dans ce cas, le problème des pertes de paquets devient crucial et nous y apportant une réponse. L’ensemble des résultats est confirmé par des expérimentations mises au point dans le cadre de ce travail, et correspondant à un robot léger commandé en temps réel à 40km de distance par Internet / This PhD thesis is dedicated to the exponential output stabilization of linear NCS (Networked Control Systems). The studied solution is based on a remote observer which is able to estimate the present state of the plant despite the various network induced delays. These last are present in both the control and the measurement channels.The first chapter describes the problem and gives a survey on the NCS. The next chapter proposes a computer structure which realizes the remote, observer-based, state feedback controller. The following two chapters propose LMI conditions (Linear Matrix Inequalities) for the design of the observer-based remote controller. The second method of Lyapunov is used with the most up-to-date Lyapunov-Krasovskii functionals. The main objective of the design is to guarantee some performances expressed in the form of exponential stability. Then some enhancements of the control strategy are given. It consists in taking into account the Quality of Service (QoS) in the controller to get better guaranteed performances. The last contribution of this work is to consider the overall system as an event-driven system. It allows one to consider packet dropout problems in the network.The effectiveness of all presented results is demonstrated by real experiments implemented on a light robot controlled over the Internet

This work addresses the problem of stabilizing attitude dynamics with an unknown delay in feedback. Two cases are considered: 1) constant time-delay 2) time-varying time-delay. This is to our best knowledge the first result that provides asymptotically stable closed-loop control design for the attitude dynamics problem with an unknown delay in feedback. Strict upper bounds on the unknown delay are assumed to be known. The time-varying delay is assumed to be made of the constant unknown delay with a time-varying perturbation. Upper bounds on the magnitude and rate of the time-varying part of the delay are assumed to be known. A novel modification to the concept of the complete type Lyapunov-Krasovskii (L-K) functional plays a crucial role in this analysis towards ensuring stability robustness to time-delay in the control design. The governing attitude dynamic equations are partitioned to form a nominal system with a perturbation term. Frequency domain analysis is employed in order to construct necessary and sufficient stability conditions for the nominal system. Consequently, a complete type L-K functional is constructed for stability analysis that includes the perturbation term. As an intermediate step, an analytical solution for the underlying Lyapunov matrix is obtained. Departing from previous approaches, where controller parameter values are arbitrarily chosen to satisfy the sufficient conditions obtained from robustness analysis, a systematic numerical optimization process is employed here to choose control parameters so that the region of attraction is maximized. The estimate of the region of attraction is directly related to the initial angular velocity norm and the closed-loop system is shown to be stable for a large set of initial attitude orientations. / text

De façon générale, cette thèse porte sur l'estimation de l'état et des entrées inconnues pour une classe de systèmes non linéaires. De façon plus particulière, le problème est abordé sous l'angle de la conception d'un système de transmission sécurisée d'informations exploitant les propriétés des systèmes chaotiques et leur capacité de synchronisation. Les travaux présentés traitent trois points principaux, à savoir le choix de l'émetteur, le développement du récepteur, et la mise au point du processus de transmission de l'information ou du message. L'émetteur retenu est un système non linéaire chaotique dont la dynamique comporte un retard, ce qui lui confère un comportement particulièrement complexe. La conception du récepteur repose sur la synthèse d'un observateur non linéaire, dont la stabilité et la convergence garantissent la synchronisation avec l'émetteur. L'insertion du message est réalisée par modulation de la phase d'un signal porteur chaotique. Le décryptage de l'information s'apparente à une restauration d'entrée inconnue au niveau du récepteur. Une étude de la sécurité du processus de cryptage/décryptage a été menée, reposant sur des techniques standard de cryptanalyse. Des multimodèles chaotiques ont été proposés pour renforcer la sécurité du processus de synchronisation / In a general way, this thesis deals with state and unknown input estimation for a class of nonlinear systems. In a more particular way, the problem is addressed from a secure communication system design point of view, based on chaotic systems properties and synchronization ability. Our work deals with three main points: selection of the transmitter, design of the receiver, and development of the information (or message) transmission process. The chosen transmitter is a time-delay nonlinear chaotic system: the main reason is that a very complex behavior is brought about by the delayed state feedback. The receiver design relies on a nonlinear observer synthesis, whose stability and convergence ensure synchronization with the transmitter. The message insertion is realized through a chaotic carrier phase modulation. The decryption process is similar to an unknown input recovery, at the receiver side. The security of the proposed encryption/decryption process is studied using standard cryptanalysis techniques. Chaotic multimodels are defined to tighten up the synchronization process security

Ce travail propose de nouvelles structures de contrôle pour la téléopération bilatérale à travers des réseaux de communication non dédiés. L’enjeu est donc de concevoir et calculer des structures de commande garantissant la stabilisation et un bon degré de performance en termes de synchronisation (suivi des positions et vitesse) et de transparence (ressenti des forces) sous les retards variables et asymétriques.Nous faisons tout d’abord un tour d’horizon des recherches récentes dans le domaine des systèmes de téléopération et de leurs caractéristiques. Puis, nous considérons des modèles linéaires à plusieurs retards variables pour lesquels nous proposons une approche d’analyse de stabilité par fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii et contrôle robuste H [infinity symbol . Ensuite, trois structures de téléopération seront proposées en temps continu, la comparaison de ces architectures montre que, pour un retard de réseau maximum donné ou calculé, toutes garantissent un suivi de position et vitesse. Les deux dernières, qui utilisent les forces mesurées ou estimées de l’opérateur humain et de l’environnement, garantissent de plus un suivi en force. Au final, la troisième structure (avec proxy) présente la meilleure performance, même si elle demande un peu plus de calcul. Puis, afin d’analyser et d’améliorer les performances de la troisième structure pour des modèles encore plus réalistes, une étude est menée en temps discret, mais aussi sur un modèle non linéaire ou non stationnaire sous perturbations bornées en norme. L’implantation sur la plate-forme est décrite dans un quatrième et dernier chapitre, et puis l’analyse des résultats expérimentaux est alors menée / This PhD thesis is dedicated to the control scheme design of the bilateral teleoperation under asymmetric communication channels: the stabilization and a high-level performance under asymmetric time-varying delays and the perturbations of the human operator and environment. After a review of the recent researches and their features in the field of teleoperation system, a less conservative Lyapunov-Krasovskii functional together with H [infinity symbol] control theory has been applied to linear time delay systems, and then the LMI theorems have been obtained in order to calculate the controllers in the control schemes.Firstly, three novel teleoperation control schemes have been presented. Comparing three architectures, all of them guaranteed the stability and the position tracking thanks to the position/velocity information. Force-reflecting control scheme without or with proxy, in addition, ensured the force tracking by using the estimated/measured force of the human operator and the environment. Here, the control scheme with the proxy got a better performance. Secondly, a discrete-time approach has been developed to analyze the force-reflecting control scheme with proxy and obtain a better system performance. Besides, more general systems with time-varying uncertainties (the polytopic-type uncertainties and the norm-bounded model uncertainties) have been considered. Finally, the experimental test-bench and the real system implementation have been designed, which involved the identification and linearizing control of the subsystems (the master/slave robots). The experimental results have illustrated the effectiveness of the approaches proposed in this thesis

Ce travail propose de nouvelles structures de contrôle pour la téléopération bilatérale à travers des réseaux de communication non dédiés. L'enjeu est donc de concevoir et calculer des structures de commande garantissant la stabilisation et un bon degré de performance en termes de synchronisation (suivi des positions et vitesse) et de transparence (ressenti des forces) sous les retards variables et asymétriques.Nous faisons tout d'abord un tour d'horizon des recherches récentes dans le domaine des systèmes de téléopération et de leurs caractéristiques. Puis, nous considérons des modèles linéaires à plusieurs retards variables pour lesquels nous proposons une approche d'analyse de stabilité par fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii et contrôle robuste H [infinity symbol . Ensuite, trois structures de téléopération seront proposées en temps continu, la comparaison de ces architectures montre que, pour un retard de réseau maximum donné ou calculé, toutes garantissent un suivi de position et vitesse. Les deux dernières, qui utilisent les forces mesurées ou estimées de l'opérateur humain et de l'environnement, garantissent de plus un suivi en force. Au final, la troisième structure (avec proxy) présente la meilleure performance, même si elle demande un peu plus de calcul. Puis, afin d'analyser et d'améliorer les performances de la troisième structure pour des modèles encore plus réalistes, une étude est menée en temps discret, mais aussi sur un modèle non linéaire ou non stationnaire sous perturbations bornées en norme. L'implantation sur la plate-forme est décrite dans un quatrième et dernier chapitre, et puis l'analyse des résultats expérimentaux est alors menée

Cette thèse concerne la stabilisation exponentielle de systèmes commandés en réseaux (NCS en anglais) par retour de sortie. Les solutions proposées reposent sur un observateur distant et capable d'estimer l'état présent du processus malgré les différents retards générés par la présence du réseau. Le premier chapitre présente le contexte général des NCS et décrit plus particulièrement le problème étudié. Le chapitre suivant propose une architecture informatique permettant de réaliser un retour d'état distant basé sur une structure d'observateur. Deux autres chapitres proposent ensuite la synthèse d'un couple loi de commande / observateur garantissant des performances de convergence exponentielle. Les conditions correspondantes s'écrivent sous forme d'inégalités matricielles linéaires (LMI en anglais) et permettent donc une optimisation. Ces conditions sont basées sur la méthode des fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii et des résultats originaux sont proposés. Une première synthèse peut être effectuée globalement, une seconde permet d'adapter les performances dynamiques à la qualité de service disponible à chaque instant. La seconde approche fait intervenir des résultats originaux sur les systèmes à retards et à commutations. Dans un dernier chapitre, nous proposons une solution complètement asynchrone (gérée par événements). Dans ce cas, le problème des pertes de paquets devient crucial et nous y apportant une réponse. L'ensemble des résultats est confirmé par des expérimentations mises au point dans le cadre de ce travail, et correspondant à un robot léger commandé en temps réel à 40km de distance par Internet

De façon générale, cette thèse porte sur l'estimation de l'état et des entrées inconnues pour une classe de systèmes non linéaires. De façon plus particulière, le problème est abordé sous l'angle de la conception d'un système de transmission sécurisée d'informations exploitant les propriétés des systèmes chaotiques et leur capacité de synchronisation. Les travaux présentés traitent trois points principaux, à savoir le choix de l'émetteur, le développement du récepteur, et la mise au point du processus de transmission de l'information ou du message. <br />L'émetteur retenu est un système non linéaire chaotique dont la dynamique comporte un retard, ce qui lui confère un comportement particulièrement complexe. La conception du récepteur repose sur la synthèse d'un observateur non linéaire, dont la stabilité et la convergence garantissent la synchronisation avec l'émetteur. L'insertion du message est réalisée par modulation de la phase d'un signal porteur chaotique. Le décryptage de l'information s'apparente à une restauration d'entrée inconnue au niveau du récepteur.<br />Une étude de la sécurité du processus de cryptage/décryptage a été menée, reposant sur des techniques standard de cryptanalyse. Des multimodèles chaotiques ont été proposés pour renforcer la sécurité du processus de synchronisation.

Neste trabalho, aborda-se o problema de estabilidade de sistemas com dados amostrados periodicamente, na presença de atuadores saturantes em posição e em taxa de variação. Os atuadores são modelados como sistemas de primeira ordem com saturação de entrada (saturação de magnitude) e do estado (saturação de taxa de variação). No modelo, considera-se que o sinal de controle é mantido constante entre dois instantes de amostragem consecutivos, enquanto as dinâmicas da planta linear e do atuador saturante são em tempo contínuo, i.e., não é feita discretização do sistema. O efeito da amostragem aperiódica é considerado através de um looped -funcional, derivado do funcional de Lyapunov-Krasovskii. O método desenvolvido relaciona uma função quadrática de Lyapunov e o funcional, considerando a amostragem assíncrona e o atuador saturante. Assim, se a derivada temporal do funcional ao longo das trajetórias do sistema for definida negativa, verifica-se que a função de Lyapunov é estritamente decrescente nos instantes de amostragem. Os efeitos das saturações são considerados por meio do uso da condição de setor generalizada. A partir do looped-funcional, da função de Lyapunov e das relações de setor generalizadas, são formuladas condições que permitem caracterizar a estabilidade e projetar ganhos estabilizantes da origem do sistema amostrado, em contexto local e global, através de algoritmos baseados na solução de LMIs. São propostas condições para maximização da estimativa da região de atração da origem ou, dado um conjunto de condições iniciais, para maximização do limite superior do intervalo de amostragem. As condições estabelecidas são válidas para o sistema com acesso a todos os estados, como também, no caso dos estados do atuador não estarem disponíveis `a medição. / This work addresses the problems of stability and stabilization of sampled-data systems taking into account aperiodic sampling and magnitude and rate saturating actuactors. The actuators are represented by a first-order system subject to input (magnitude saturation) and state (rate) saturation. In the considered model, the control signal is assumed to be constant between two successive sampling instants, while the dynamics of the linear plant and the saturating actuator are in continuous-time, i.e., no discretization is performed. The aperiodic sampling is taken into account from the method based on the input delay approach via looped-functional, derived from a time-dependent Lyapunov-Krasovskii functional. The developed method is based on a particular functional, that is related to a Lyapunov function. It is shown that if the time derivative of the looped- functional along the trajectories of the continuous-time system is strictly negative, then the Lyapunov function is strictly decreasing at sampling instants. The actuator saturations are taken into account from the use of a generalized sector condition. From the looped-functional, the Lyapunov function and the generalized sector conditions, the developed results lead to conditions that can be solved as LMI prob- lems for asymptotic stability assessment and stabilization local or global of the origin of the sampled-data system. Convex optimization problems are developed to com- pute an estimate of the region of attraction or, given a set of admissible initial conditions, compute the maximal admissible inter-sampling time for which the con- vergence of the trajectories to the origin is ensured. Theorical results are valid for systems with access to all the states, and also for the case that actuator states are not available to the measurement.

Neste trabalho, aborda-se o problema de estabilidade de sistemas com dados amostrados periodicamente, na presença de atuadores saturantes em posição e em taxa de variação. Os atuadores são modelados como sistemas de primeira ordem com saturação de entrada (saturação de magnitude) e do estado (saturação de taxa de variação). No modelo, considera-se que o sinal de controle é mantido constante entre dois instantes de amostragem consecutivos, enquanto as dinâmicas da planta linear e do atuador saturante são em tempo contínuo, i.e., não é feita discretização do sistema. O efeito da amostragem aperiódica é considerado através de um looped -funcional, derivado do funcional de Lyapunov-Krasovskii. O método desenvolvido relaciona uma função quadrática de Lyapunov e o funcional, considerando a amostragem assíncrona e o atuador saturante. Assim, se a derivada temporal do funcional ao longo das trajetórias do sistema for definida negativa, verifica-se que a função de Lyapunov é estritamente decrescente nos instantes de amostragem. Os efeitos das saturações são considerados por meio do uso da condição de setor generalizada. A partir do looped-funcional, da função de Lyapunov e das relações de setor generalizadas, são formuladas condições que permitem caracterizar a estabilidade e projetar ganhos estabilizantes da origem do sistema amostrado, em contexto local e global, através de algoritmos baseados na solução de LMIs. São propostas condições para maximização da estimativa da região de atração da origem ou, dado um conjunto de condições iniciais, para maximização do limite superior do intervalo de amostragem. As condições estabelecidas são válidas para o sistema com acesso a todos os estados, como também, no caso dos estados do atuador não estarem disponíveis `a medição. / This work addresses the problems of stability and stabilization of sampled-data systems taking into account aperiodic sampling and magnitude and rate saturating actuactors. The actuators are represented by a first-order system subject to input (magnitude saturation) and state (rate) saturation. In the considered model, the control signal is assumed to be constant between two successive sampling instants, while the dynamics of the linear plant and the saturating actuator are in continuous-time, i.e., no discretization is performed. The aperiodic sampling is taken into account from the method based on the input delay approach via looped-functional, derived from a time-dependent Lyapunov-Krasovskii functional. The developed method is based on a particular functional, that is related to a Lyapunov function. It is shown that if the time derivative of the looped- functional along the trajectories of the continuous-time system is strictly negative, then the Lyapunov function is strictly decreasing at sampling instants. The actuator saturations are taken into account from the use of a generalized sector condition. From the looped-functional, the Lyapunov function and the generalized sector conditions, the developed results lead to conditions that can be solved as LMI prob- lems for asymptotic stability assessment and stabilization local or global of the origin of the sampled-data system. Convex optimization problems are developed to com- pute an estimate of the region of attraction or, given a set of admissible initial conditions, compute the maximal admissible inter-sampling time for which the con- vergence of the trajectories to the origin is ensured. Theorical results are valid for systems with access to all the states, and also for the case that actuator states are not available to the measurement.