Ce travail de thèse concerne l’estimation de défauts composants par la synthèse d’un observateur à entrées inconnues en utilisant un seul outil : les bond graphs. Nous avons montré que cet outil graphique permet (grâce à sa topologie fonctionnelle) la représentation des défauts composants sous forme d’entrées inconnues sur la représentation d’état du système physique. L’étude des propriétés causales et structurelles (commandabilité, observabilité, structure finie et structure à l’infini) du modèle bond graph en mode défaillant permet ainsi la conception d’un observateur à entrées inconnues utilisé pour l’estimation du défaut du composant (considéré comme une entrée inconnue associée à la valeur d’un effort ou flux supplémentaire apporté par le défaut sur le composant à surveiller). L’approche proposée dans ce travail a été validée par une application sur un système hydraulique. Les résultats expérimentaux ont prouvé l’efficacité de cet observateur notamment pour la surveillance des composants du système. / The thesis concerns the estimation of system components faults by using an unknown inputs observer. To reach this goal, we used the Bond Graph approach to physical modelling. We showed that this graphical tool is allowing the representation of system components faults as unknown inputs within the state representation of the considered physical system. The study of the causal and structural features of the system (controllability, observability, finite structure and infinite structure) based on the Bond Graph approach was hence fulfilled in order to design an unknown inputs observer which is used for the system component fault estimation. The component fault is considered as an unknown input. The approach proposed in this work wad validated through an application to a hydraulic system. The experimental results showed the effectiveness of this particular observer for the monitoring of the system components.

L'objectif de la thèse est le développement de techniques d'estimations des systèmes dynamiques soumis à des perturbations (entrées inconnues), des fautes composants ou comportant des non linéarités pouvant être modélisées par des entrées inconnues. Le formalisme bond graph est utilisé principalement dans un souci d'exploitation de ses propriétés structurelles dans les phases d'analyse et de synthèse. Les modèles analysés sont linéaires et multivariables; une extension aux modèles non linéaires est aussi introduite dans le cas d'une transformation possible des non linéarités sous forme d'entrée inconnue. / The goal of the thesis is the development of a new approach for the estimation of dynamic systems subject to disturbances (unknown inputs) and component faults or estimation of models containing non-linearities that can be modeled by unknown inputs. The bond graph formalism is mainly used in analysis and synthesis phases because of its structural properties. The analyzed models are linear and multivariable; an extension to nonlinear models is also introduced if nonlinearities can be represented as unknown inputs.

Les moteurs Diesels modernes sont équipés de capteurs et d’actionneurs contrôlables tels que la vanne de recirculation des gaz d’échappement, le turbocompresseur à géométrie variable. Cette instrumentation sophistiquée nécessite de faire appel à des systèmes de diagnostic embarqués pour déceler et localiser les défaillances. Les techniques utilisées actuellement basées sur le traitement des signaux s’avèrent insuffisantes. Notre motivation est de concevoir un système de diagnostic à base de modèles mathématiques permettant au moteur d’avoir un fonctionnement sûr et optimisé. Le travail consiste donc à surveiller les défaillances du moteur notamment au niveau de la boucle d’air. Ainsi une défaillance peut entraîner une augmentation de la consommation ou une augmentation des émissions polluantes. Dans un premier temps, un système de diagnostic basé sur un observateur non linéaire robuste à entrées inconnues est proposé en vue de détecter et de localiser les défauts d’actionneurs. Dans un deuxième temps, la boucle d’air du moteur diesel est modélisée en présence de fuites au niveau du collecteur d’admission. Des approches basées sur des observateurs sont proposées pour la détection et l’estimation de ces fuites. Une fois les fuites détectés et estimées, une stratégie de commande tolérante aux fautes du moteur diesel soumis à ces fuites est proposée. La commande tolérante aux fautes intègre l'estimation de l'état, l'identification de la fuite et la loi de commande nominale, en vue de garantir la stabilisation du système défaillant. Les performances des approches proposées sont illustrées par le simulateur professionnel AMEsim en co-simulationavec MATLAB. Une installation expérimentale est mise en œuvre en utilisant un dSPACE MicroAutoBox. / Modern Diesel engines are equipped with sensors and actuators such as the controllable valve of the exhaust gas recirculation, variable geometry turbocharger. This requires sophisticated instrumentation to need on board diagnostic systems to detect and isolate faults. Techniques currently used in industry based on signal processing are limited. Our motivation is to develop a model based diagnostic system allowing the engine to have a safe and optimized functioning. The work is to monitor the diesel engine including the air loop. At first, a diagnostic system based on a robust nonlinear unknown input observer is developed to detect and to isolate actuators faults. In a second step, the air path subject to intake manifold leakages is modeled. Three approaches based on observers are developed to detect and estimate such leakages. Once the leakages detected and estimate, a fault tolerant control strategy for diesel engine subject to leakages is proposed. The proposed FTC design scheme integrates the state estimation, the leakage identification and the state feedback control law, to guaranty the stabilization of the faulty plant. The performances of the proposed approaches are illustrated by a professional simulator AMESim in co-simulation with MATLAB. In order to test these approaches in real time, experimental facility is implemented using a dSPACE MicroAutoBox.

Au cours de la dernière décennie, l’industrie des véhicules aériens sans pilote (UAV) a connu une croissance et une diversification immenses. De nos jours, nous trouvons des applications basées sur les drones dans un large éventail d’industries, telles que les infrastructures, l’agriculture, les transports, etc. Ce phénomène a suscité un intérêt croissant dans le domaine de la manipulation aérienne. La mise en œuvre de manipulateurs aériens dans l'industrie des UAV pourrait générer une augmentation significative du nombre d'applications possibles. Cependant, la restriction de la charge utile disponible est l’un des principaux inconvénients de cette approche. L'impossibilité d'équiper les drones de bras robotiques industriels puissants et habiles a suscité l'intérêt pour le développement de manipulateurs légers adaptés à ces applications. Dans le but de fournir une solution légère alternative aux manipulateurs aériens, cette thèse propose un bras robotique léger actionné par des fils en alliage à mémoire de forme (SMA). Bien que les fils SMA représentent une excellente alternative aux actionneurs conventionnels pour les applications légères, ils impliquent également une dynamique hautement non linéaire, ce qui les rend difficiles à contrôler. Cherchant à présenter une solution pour la tâche difficile de contrôler les fils SMA, ce travail étudie les conséquences et les avantages de la mise en œuvre des techniques de commande par retour d’état. L'objectif final de cette étude est la mise en œuvre expérimentale d'un contrôle à rétroaction d'état pour la régulation de la position du bras robotique léger proposé. Tout d'abord, un modèle mathématique basé sur un modèle physique du comportement des câbles SMA est développé et validé expérimentalement. Ce modèle décrit la dynamique du bras robotique léger proposé du point de vue de la mécatronique. Le bras robotique proposé est testé avec trois contrôleurs de retour de sortie pour le contrôle de position angulaire, à savoir un PID, un mode coulissant et une commande adaptative. Les contrôleurs sont testés dans une simulation MATLAB, puis mis en œuvre et testés expérimentalement selon différents scénarios. Ensuite, afin de réaliser la mise en œuvre expérimentale d’une technique de commande par retour d’état, un observateur d’état, à entrée inconnue, est développé. Premièrement, un modèle observable sans commutation avec une entrée inconnue est dérivé du modèle présenté précédemment. Ce modèle prend comme entrée inconnue le taux de fraction de martensite du modèle d'origine, ce qui permet d'éliminer les termes de commutation dans le modèle. Ensuite, un observateur, à entrées inconnues, basé sur le filtre de Kalman étendu et sur l’observateur à mode glissant est développé. Cet observateur permet l’estimation simultanée de l’état et des entrées inconnues. Les conditions suffisantes de convergence et de stabilité sont établies. L'observateur est testé dans une simulation MATLAB et validé expérimentalement dans différents scénarios. Enfin, une technique de commande par retour d’état est testée en simulation et implémentée de manière expérimentale pour le contrôle de position angulaire du bras robotique léger proposé. Elle est basée sur la résolution d’une équation de Riccati (SDRE). En conclusion, une analyse comparative quantitative et qualitative entre une approche de commande par retour de sortie et la une de commande par retour d’état mis en œuvre est effectuée selon plusieurs scénarios, y compris la régulation de position, le suivi de position et le suivi de charges utiles changeantes. / In the last decade, the industry of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) has gone through immense growth and diversification. Nowadays, we find drone based applications in a wide range of industries, such as infrastructure, agriculture, transport, among others. This phenomenon has generated an increasing interest in the field of aerial manipulation. The implementation of aerial manipulators in the UAV industry could generate a significant increase in possible applications. However, the restriction on available payload is one of the main setbacks of this approach. The impossibility to equip UAVs with heavy dexterous industrial robotic arms has driven the interest in the development of lightweight manipulators suitable for these applications. In the pursuit of providing an alternative lightweight solution for the aerial manipulators, this thesis proposes a lightweight robotic arm actuated by Shape Memory Alloy (SMA) wires. Although SMA wires represent a great alternative to conventional actuators for lightweight applications, they also imply highly nonlinear dynamics, which makes them difficult to control. Seeking to present a solution for the challenging task of controlling SMA wires, this work investigates the implications and advantages of the implementation of state feedback control techniques. The final aim of this study is the experimental implementation of a state feedback control for position regulation of the proposed lightweight robotic arm. Firstly, a mathematical model based on a constitutive model of the SMA wire is developed and experimentally validated. This model describes the dynamics of the proposed lightweight robotic arm from a mechatronics perspective. The proposed robotic arm is tested with three output feedback controllers for angular position control, namely a PID, a Sliding Mode and an Adaptive Controller. The controllers are tested in a MATLAB simulation and finally implemented and experimentally tested in various different scenarios. Following, in order to perform the experimental implementation of a state feedback control technique, a state and unknown input observer is developed. First, a non-switching observable model with unknown input of the proposed robotic arm is derived from the model previously presented. This model takes the martensite fraction rate of the original model as an unknown input, making it possible to eliminate the switching terms in the model. Then, a state and unknown input observer is proposed. This observer is based on the Extended Kalman Filter (EKF) for state estimation and sliding mode approach for unknown input estimation. Sufficient conditions for stability and convergence are established. The observer is tested in a MATLAB simulation and experimentally validated in various different scenarios. Finally, a state feedback control technique is tested in simulation and experimentally implemented for angular position control of the proposed lightweight robotic arm. Specifically, continuous and discrete-time State-Dependent Riccati Equation (SDRE) control laws are derived and implemented. To conclude, a quantitative and qualitative comparative analysis between an output feedback control approach and the implemented state feedback control is carried out under multiple scenarios, including position regulation, position tracking and tracking with changing payloads.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse porte sur la synthèse d'observateurs pour des classes de systèmes non linéaires à savoir les observateurs classiques utilisés pour l'estimation de l'état, les observateurs à entrées inconnues ou encore les observateurs adaptatifs. Nous proposons, dans une partie, une forme canonique d'observabilité non triangulaire caractérisant une large classe de systèmes multi-sorties observables pour toute entrée. Un observateur de type grand gain est proposé. La convergence exponentielle de l'observateur proposé est détaillée et la validation en simulation est illustrée à travers des exemples. Ensuite, nous traitons la synthèse d'observateurs à entrées inconnues. Une classe de systèmes comportant des entrées inconnues est présentée. L'observateur proposé permet d'estimer conjointement tous les états du système ainsi que toutes les entrées inconnues. La synthèse de cet observateur est vérifiée sous certaines conditions suffisantes inspirées de celles adoptées en l'absence des entrées inconnues. En effet, des simulations numériques montrent bien la convergence de l'observateur. Enfin, un observateur adaptatif est proposé pour la forme canonique non triangulaire introduite en début du mémoire. La convergence exponentielle de l'observateur proposé est établie sous une certaine condition d'excitation persistante qui a été donnée. Les performances de cet observateur sont illustrées en simulation à travers un exemple académique.

De nos jours, les processus industriels se doivent d’être efficaces, en particulier au niveau de leur production et/ou consommation énergétique.Ce travail vise à améliorer l’efficacité des processus en analysant l’influence des perturbations sur leur comportement, de la phase de conception à la synthèse des contrôleurs/observateurs, ceci dans une approche intégrée.Le problème du Rejet de Perturbation est introduit ainsi que différents types de contrôles permettant d’atténuer et/ou rejeter ces perturbations. Le système de Barre de Torsion est présenté. Une loi de commande basée sur le concept d’état dérivé est présentée et ensuite validée avec comme application le rejet de perturbation. Il est nécessaire d’estimer les grandeurs physiques utilisées dans les différentes expressions de loi de commande. Un observateur à entrées inconnues basé sur la représentation bond graph est rappelé et ensuite étendu au cas multi-variable. C’est la première contribution théorique de ce travail de recherche.Nous comparons ensuite l’efficacité de différentes techniques de commandes pour le rejet de perturbation par simulation sur le système barre de torsion et analysons ainsi l’efficacité de la technique proposée. Une extension théorique au problème du découplage entrée-sortie nous permet de généraliser le problème du rejet de perturbation dans une même démarche intégrée d’analyse et de synthèse. Enfin, ces techniques sont exploitées et analysées sur le système réel. Nous validons ainsi expérimentalement nos résultats.Un modèle très simplifié de centrale hydroélectrique est développé afin d’appliquer les résultats de nos travaux. Un modèle bond graph simplifié est validé par simulation. / Nowadays, industrial processes must be efficient, particularly at the production level and/or energy consumption.This research work aims at improving the process efficiency by analysing the influences of disturbances on their behaviour, from the conception phase to the synthesis of controller/observer, in an integrated approach.The disturbance rejection problem is first introduced as well as different control laws allowing attenuate/reject these disturbances. A control law based on the concept of derivative state variable is presented and validated while applied as disturbance rejection.In order to reject the disturbance, different physical variables must be estimated, such as state variables, derivative state variables as disturbance variables. An unknown input observer based on the bond graph representation is recalled and extended in the multivariable case. It is the first theoretical contribution of this work.We thus compare the efficiency of different so-called «modern control laws» for the disturbance rejection problems by simulation with the Torsion-Bar system example. We analyse the efficiency of our approach. One extension to the Input-Output decoupling problem allows us to extend the disturbance rejection problem to other control law type in an integrated approach. At least, these techniques are applied on the real Torsion-Bar system and compared. We validate our approach.Since this work aims at analysing and developing efficient control laws for industrial processes, a simplified model of a hydroelectric plant is developed, in order to apply our results. A simplified bond graph model is validated with simulations.

Les personnes vivant avec une lésion de la moelle épinière (LMÉ) subissent une réduction drastique de leurs capacités sensori-motrices en dessous du niveau de la lésion. Cette pathologie influence négativement leur contrôle postural, vu comme le résultat de contributions actives, passives et neuronales. Une approche par modèle est choisie afin de représenter ces différentes contributions et mieux comprendre le contrôle postural en position assise. Deux problèmes apparaissent. Tout d’abord les modèles existants de la position assise sont très rares et inapplicables à l’étude des personnes vivant avec une LMÉ qui, dans l’absence de contrôle musculaire au niveau du tronc, vont utiliser leurs membres supérieurs pour s’équilibrer. De plus, les équations non linéaires sous forme descripteur des modèles biomécaniques existant sont linéarisées dans la majorité des cas afin de simplifier les équations obtenues ce qui n’est plus valable dans le cas de mouvements de grande amplitude. Or des travaux récents fournissent des outils pour analyser ces modèles en utilisant le formalisme de Takagi-Sugeno issu de la logique floue. Ce travail est focalisé sur l’étude du contrôle postural des personnes vivant avec une LMÉ par des outils de l’automatique non linéaire, trois objectifs sont définis : 1. Proposer des modèles biomécaniques non linéaires de la stabilité en position assise pour les personnes vivant avec une LMÉ. 2. Utiliser des méthodes d’écriture de modèle du domaine de l’automatique non linéaire afin de créer les outils nécessaires à l’estimation des variables internes (non mesurées) au modèle. 3. Améliorer la connaissance de la stabilité chez les personnes vivant avec une LMÉ par l’estimation expérimentale d’efforts internes en fonction de paramètres personnels et des conditions expérimentales. Les modèles créés dans ce manuscrit sont, à notre connaissance, les premiers à représenter la stabilité assise en considérant le déplacement des membres supérieurs. Il s’agit également des premiers modèles biomécaniques à utiliser les avancées récentes de l’automatique non linéaire pour l’estimation d’efforts internes non mesurables. / The ability to maintain stability in an unsupported sitting position often becomes challenging after an individuals is affected by a spinal cord injury (SCI). In order to better understand sitting postural control as a combination of active, passive and neuronal contribution, a modelling approach is chosen. Two problems arise; first of all, existing models of sitting control are very scarse and inapplicable to people living with a SCI who will use their upper in a compensatory strategy to balance their trunk. Moreover, the majority of biomechanical models nonlinear equations are linearized with small angle hypothesis for an easier processing which is not acceptable when movements become large. Recent advances in nonlinear control theory provide the theoretical tools for the creation of nonlinear observers using the Takagi-Sugeno fuzzy formalism. This work aims at the study of postural control for people living with a SCI by use of nonlinear tools from control theory; three main goals are formulated: 1. Creating new nonlinear biomechanical models aiming at the study of sitting stability of people living with SCI. 2. Using tools coming from nonlinear control theory to estimate model unmeasured variable 3. Improve the current knowledge on stability for people living with a SCI by estimating internal efforts depending on personal parameters in experimental conditions. The models created in this manuscript are, to the best of our knowledge, the first to consider the upper limbs displacement for the control of sitting stability and the first biomechanical models to use the recent advances in nonlinear control theory for the estimation of unmeasured variables.

Le travail présenté dans la thèse s’inscrit dans le projet de recherche partenarial ANR-ABV 2009 dont l’objet est la conception d’un système de conduite automatisée à basse vitesse. Il décrit et analyse les principes d’un contrôle partagé d’un véhicule automobile entre un conducteur humain et un copilote électronique (E-copilote). L’objectif est de mettre en place une coopération Homme-Machine efficace entre le conducteur et l’E-copilote. Un des enjeux est notamment de permettre au conducteur d’interagir avec l’E-copilote de façon continue pour pouvoir exécuter les manœuvres qu’il souhaite sans nécessiter la désactivation ni être gêné par l’E-copilote. Cet enjeu répond au besoin de prise en compte des actions du conducteur entreprises pour pallier celles du E-copilote dans certaines situations par exemple éviter un obstacle non perçu par le système. L’objectif dans ce cas est de garantir le confort au conducteur ainsi que sa conscience du mode engagé (système actif ou pas). Le conducteur et l’E-copilote agissant simultanément sur le système de direction, chacun doit être conscient des actions de l’autre : une communication bidirectionnelle est essentielle. Pour atteindre cet objectif, nous avons retenu les interactions haptiques à travers le système de direction du véhicule. Le couple appliqué par le conducteur sur volant est utilisé par l’E-copilote pour prendre en compte ces actions de la même façon que le couple produit par l’E-copilote est ressenti par le conducteur et utilisé pour comprendre le comportement du système. D’autres aspects essentiels pour la coopération H-M ont également été abordés : l’´étude des changements de modes de fonctionnement du système ainsi que l’IHM via laquelle le conducteur interagit avec le système. / The work presented in the thesis is part of the research partnership project ANRABV 2009 which aims is to design an automated low-speed driving. It describes and analyzes the principles of shared control of a motor vehicle between a human driver and an electronic copilot (E-copilot). The objective is to establish effective human-machine cooperation between the driver and E-copilot. One issue is particular to allow the driver to interact with the E-copilot continuously in order to perform maneuvers he wants without requiring deactivation neither constrained by E-copilot. This issue addresses the need for consideration of driver actions taken to remedy those of E-copilot for example avoiding undetected obstacle by the system while ensuring operator comfort and the driver situation awareness. The driver and E-co-pilot acting simultaneously on the steering system, everyone must be aware of the actions of the other: twoway communication is essential. To achieve this goal, we used the haptic interactions through the steering system of the vehicle. The torque applied by the driver on the steering wheel is used by the E-copilot to take into account these actions as the torque produced by the E-copilot is felt by the driver and used to understand the system’s behavior. Other key issues for the Human-Machine Cooperation were also discussed: the study of changes in modes of operation of the system and HMI via which the driver interact with the system.