Ce travail a comme objectif l'amélioration et l'extension de l'application des systèmes de réalité virtuelle en retour haptique dans le cadre d'un travail collaboratif à distance induisant par conséquent des retards de transmission. Les développements des lois de commande présentées dans ce document font partie de celles améliorant les schémas de commande bilatérale classiques. Sous cette bannière, on trouve deux catégories de commande : passives, comme celles basées sur les variables d'onde où prédictives, en se basant sur l'estimation du modèle de l'esclave.

Au cours des dernières décennies, les environnements virtuels se sont de plus en plus répandus et sont largement utilisés dans de nombreux domaines comme, par exemple, le prototypage, la formation à l’utilisation de différents outils/appareils, l’aide à la réalisation de tâches difficiles, etc. L’interaction avec la réalité virtuelle, ainsi que le retour d’effort, sont assurés par des interfaces haptiques. En général, ces systèmes sont affectés par des retards de communication et de traitement, entraînant une détérioration des performances. Dans cette thèse, une étude complète des méthodes existantes, les outils théoriques et de nouvelles solutions sont proposés dans le cadre de l’haptique. Dans un premier temps, une étude comparative, fondée sur des résultats expérimentaux obtenus sur un système haptique à un degré de liberté, met en évidence les avantages et les inconvénients des algorithmes de commande les plus classiques, transposés du domaine de la téléopération à l’haptique. Sont ensuite examinés les outils théoriques nécessaires à l’analyse de la stabilité des systèmes à retard selon différentes situations, tenant compte des limites physiques des plates-formes expérimentales considérées. En plus du cas classique du retard constant, des incertitudes sont également considérées et modélisées par plusieurs types de distributions (distribution uniforme, normale et gamma avec gap). Finalement, pour surmonter les inconvénients liés aux retards, deux nouvelles approches sont proposées. Tout d’abord, la commande de type prédicteur de Smith est reprise et une solution spécifique pour les systèmes haptiques est mise en oeuvre. L’idée principale consiste à introduire dans le prédicteur de Smith les forces liées à l’environnement en utilisant les informations complémentaires issues de la réalité virtuelle, en ce qui concerne les distances entre l’objet virtuel piloté et d’autres objets présents dans la scène. Pour surmonter la perte de performances induite par l’utilisation d’un gain fixe dans les correcteurs, commun à toutes les situations (mouvements libres ou restreints), la seconde approche propose un correcteur Proportionnel Dérivé incluant une stratégie de séquencement de gain en fonction de la distance jusqu’à une éventuelle collision. Les deux approches sont validées expérimentalement sur une plateforme haptique à trois degrés de liberté, pour différents scénarios de complexité progressive, partant de situations avec des mouvements simples - libre et restreints, des contacts avec des objets en mouvement, pour arriver à des situations plus complexes - boîte virtuelle avec des murs fixes ou mobiles. / During the last decades, virtual environments have become very popular and are largely used in many domains as, for example, prototyping, trainings for different devices, assistance in completing difficult tasks, etc. The interaction with the virtual reality, as well as the feedback force, is assured by haptic interfaces. Generally, such systems are affected by communication and processing time-delays, resulting in a deterioration of performances. In this thesis, a complete study of the existing methods, as well as theoretical tools and new solutions, are proposed for the haptic framework. First, a comparative study, based on the experimental results obtained on a 1-dof haptic system, highlights the advantages and drawbacks of the most common control algorithms ported from teleoperation to haptics. Next, the theoretical tools needed in analyzing the stability of the delayed systems in different situations, as well as the physical limitations of the experimental platforms considered, are examined. Besides the standard case of constant time-delays, uncertainties are also considered and modeled by different types of distributions (uniform, normal and gamma distribution with gap). In the sequel, for overcoming the drawback of time-delays, two new approaches are proposed. First, the use of Smith predictor-based control is addressed and a specific solution for haptic systems is developed and discussed. The main idea is to introduce into the Smith predictor the environmental forces by using the additional information from the virtual reality regarding the distances between the controlled virtual object and other objects in the scene. To overcome the loss of performances induced by using a fixed gain in the controllers for all situations (free or restricted motions), the second approach proposes a gain-scheduling Proportional Derivative control strategy depending on the distance until a possible collision. Both approaches are experimentally validated on a 3-dof haptic platform, under different scenarios elaborated gradually from simple situations - free and restricted motion, contacts with moving objects, to more complex situations - virtual box with fixed or moving sides.

La coulée continue est une étape importante dans la chaîne de fabrication de l'acier. Ce procédé agit comme un échangeur thermique qui permet de solidifier l'acier en fusion. De nombreuses études ont révélé qu'une partie importante des défauts de surface du produit solidifié est provoquée par les perturbations du niveau d'acier liquide en lingotière. Chaque ligne de production dispose d'un système de régulation de niveau dont l'objectif est de maintenir un niveau stable d'acier liquide. En présence de certaines perturbations ou lors des phases transitoires, les performances de ces systèmes de régulation se dégradent fortement. L'objectif principal de la thèse est de développer des solutions de contrôle robuste de niveau afin de rejeter les perturbations internes et externes à la boucle de régulation quelles que soient les conditions de coulée. Un outil d'estimation a été développé pour diagnostiquer et rejeter certaines perturbations. L'activité de recherche a porté également sur le recensement et l'évaluation des lois de commande utilisées actuellement dans les usines ou proposées par les fournisseurs dans le but d'établir un référentiel de performances que nous avons ensuite amélioré en mettant en oeuvre de nouvelles stratégies de régulation. Enfin, une commande adaptative multi-modèles combinant à la fois les fonctions de régulation robuste de niveau et d'identification des paramètres a été implantée. Une maquette hydraulique a été utilisée à plusieurs reprises pour reproduire le fonctionnement de la coulée continue sur site afin d'évaluer le gain en performance de la solution retenue. Les solutions proposées présentent un caractère générique et peuvent s'appliquer à d'autres procédés sidérurgiques avec seulement quelques ajustements.

Enhancing mineral processing techniques is a permanent challenge in the mineral and metal industry. Indeed to satisfy the requirements on the final product (metal) set by the consuming market, control is often applied on the mineral processing whose product, the ore concentrate, constitutes the input material of the extractive metallurgy. Therefore much attention is paid on mineral processing units and especially on concentration plants. As the ore size reduction procedure is the critical step of a concentrator, it turns out that controlling a grinding circuit is crucial since this stage accounts for almost 50 % of the total expenditure of the concentrator plant. Moreover, the product particle size from grinding stage influences the recovery rate of the valuable minerals as well as the volume of tailing discharge in the subsequent process.<p> The present thesis focuses on an industrial application, namely the Kolwezi concentrator (KZC) double closed-loop wet grinding circuit. As any industrial wet grinding process, this process offers complex and challenging control problems due to its configuration and to the requirements on the product characteristics. In particular, we are interested in the modelling of the process and in proposing a control strategy to maximize the product flow rate while meeting requirements on the product fineness and density.<p> A mathematical model of each component of the circuit is derived. Globally, the KZC grinding process is described by a dynamic nonlinear distributed parameter model. Within this model, we propose a mathematical description to exhibit the increase of the breakage efficiency in wet operating condition. In addition, a relationship is proposed to link the convection velocity to the feed ore rate for material transport within the mills.<p> All the individual models are identified from measurements taken under normal process operation or from data obtained through new specific experiments, notably using the G41 foaming as a tracer to determine material transport dynamics within the mills. This technique provides satisfactory results compared to previous studies.<p>Based on the modelling and the circuit configuration, both steady-state and dynamic simulators are developed. The simulation results are found to be in agreement with the experimental data. These simulation tools should allow operator training and they are used to analyse the system and to design the suitable control strategy.<p> As the KZC wet grinding process is a Multi-Input Multi-Output (MIMO) system, we propose a decentralized control scheme for its simplicity of implementation. To overcome all the control issues, a Double Internal Model Control (DIMC) scheme is proposed. This strategy is a feedforward-feedback structure based on the use of both a modified Disturbance Observer (DOB) and a Proportional-Integral Smith-Predictor (PI-SP). A duality between the DOB and PI-SP is demonstrated in design method. The latter is exploited to significantly simplify the design procedure. The designed decentralized controllers are validated in simulation on the process linearized model. A progressive implementation of the control strategy is proposed in the context of the KZC grinding circuit where instrumentation might not be obvious to acquire./<p><p> Améliorer les techniques de traitement de minerais est un défi permanent dans l'industrie des minéraux et des métaux. En effet, pour satisfaire aux exigences du produit fini (métal ) fixées par le marché de consommation, la commande automatique est souvent appliquée à l'usine du traitement de minerais dont le produit, le concentré, constitue la matière première de la métallurgie extractive. Une attention particulière est donc dévolue aux unités de traitement de minerais et en particulier aux concentrateurs. Comme le processus de réduction des dimensions granulométriques du minerai est l'étape critique d'un concentrateur, il s'avère que la commande d'un circuit de broyage est cruciale, car ce stade représente près de 50 % des dépenses totales de l' usine de concentration. De plus, la dimension granulométrique du produit de l'étape de broyage influe sur le taux de récupération des minéraux utiles ainsi que sur le volume des rejets du processus ultérieur.<p> La présente thèse porte sur une application industrielle, à savoir le concentrateur de Kolwezi (KZC qui est un circuit de broyage humide à double boucle fermée. Comme tout processus industriel de broyage humide, ce procédé présente une problématique de commande complexe et difficile en raison de sa configuration et des exigences relatives aux caractéristiques du produit. En particulier, nous nous intéressons à la modélisation de ce procédé et à proposer une stratégie adéquate de commande dans le but de maximiser le débit de production tout en respectant les exigences quant à la finesse et à la densité de la pulpe produite.<p> Un modèle mathématique de chaque composant du circuit a été déterminé. Globalement, le processus de broyage de KZC est décrit par un modèle dynamique non linéaire à paramètres distribués. Dans ce modèle, une description mathématique de l'augmentation de l'efficacité du broyage en milieu humide est proposée. En outre, nous avons proposé une relation liant la vitesse de convection au débit d'alimentation de minerais dans le modèle du transport de la matière à l'intérieur des broyeurs.<p> Tous les modèles mathématiques ont été identifiés à partir de mesures prises sur le procédé en fonctionnement d'équilibre stable ou à partir des données obtenues grâce à des nouvelles expériences spécifiques, notamment en utilisant le moussant G41 comme traceur pour déterminer la dynamique de transport de la matière dans les broyeurs. Cette technique a produit des résultats cohérents par rapport aux études antérieurs réalisées au moyen du traceur colorant ou radioactif.<p> Les simulateurs statique et dynamique ont été développés sur la base de la modélisation mathématique et de la configuration du circuit. Les résultats des simulations sont en accord avec les données expérimentales. Ces outils de simulation devraient permettre la formation des opérateurs et ont été utilisés pour analyser le système et concevoir la stratégie de commande la plus appropriée.<p> Comme le processus de broyage humide de KZC est un système à plusieurs grandeurs d'entrée et plusieurs grandeurs de sortie, nous avons proposé une structure de commande décentralisée en raison de sa simplicité de mise en œuvre .Afin de surmonter tous les problèmes de commande, un schéma de commande à double modèle interne (CDMI) est proposée. Cette stratégie est une structure à anticipation - rétroaction basée sur l'utilisation d'un observateur de perturbations (OBP) et d'un Prédicteur de Smith doté d'un régulateur Proportionnel-Intégral (PS-PI). Une dualité entre l'OBP et le PS-PI est démontrée dans la méthode de conception. Cette propriété est exploitée pour simplifier considérablement la procédure de conception. Les régulateurs décentralisés ainsi conçus sont validés en simulation sur le modèle linéarisé du procédé. Une mise en œuvre progressive de la stratégie de commande est proposée dans le contexte du circuit de broyage de KZC où l'instrumentation peut ne pas être évidente à acquérir.<p> <p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished