Simultaneous stabilization is an important problem in the design of robust controllers. It is the problem of designing a single feedback controller which will simultaneously stabilize every member of a finite collection of liner time-invariant systems. This provides simplicity and reliability which is desirable in aerospace applications. It can be used as a back-up control system in sophisticated airplanes, or an inexpensive primary one for small aircraft. In this work the robustness of the simultaneous stabilization problem, known as the Robust Simultaneous Stabilization (RSS) problem, is addressed. First, an optimization methodology for finding a solution to the Simultaneous Stabilization (SS) problem is proposed. Next, in order to provide simultaneous stability while maximizing the stability robustness bounds, a multiple-robustness optimization design methodology for the RSS problem is presented. The two proposed design methodologies are then compared in terms of robustness of the designed controller.

Simultaneous stabilization is an important problem in the design of robust controllers. It is the problem of designing a single feedback controller which will simultaneously stabilize every member of a finite collection of liner time-invariant systems. This provides simplicity and reliability which is desirable in aerospace applications. It can be used as a back-up control system in sophisticated airplanes, or an inexpensive primary one for small aircraft. In this work the robustness of the simultaneous stabilization problem, known as the Robust Simultaneous Stabilization (RSS) problem, is addressed. First, an optimization methodology for finding a solution to the Simultaneous Stabilization (SS) problem is proposed. Next, in order to provide simultaneous stability while maximizing the stability robustness bounds, a multiple-robustness optimization design methodology for the RSS problem is presented. The two proposed design methodologies are then compared in terms of robustness of the designed controller.

Dans ce mémoire, nous avons proposé une nouvelle approche pour la stabilisation des polytopes de systèmes SISO LTI avec un contrôleur d’ordre fixe. En utilisant le théorème des segments étendus, nous avons montré que, pour stabiliser un polytope de systèmes LTI, il suffit de stabiliser simultanément tous ses sommets en considérant une condition supplémentaire associée à ces derniers. Nous avons présenté également dans ce mémoire des méthodes originales pour la synthèse des contrôleurs simultanés en combinant les techniques polynomiales et l’optimisation linéaire. Avec les méthodes de synthèse proposées, nous avons montré non seulement que le contrôleur stabilise simultanément les sommets du polytope de systèmes (commande simultanée), mais également tous les systèmes appartenant au polytope (commande robuste). Il s’agit donc de contrôleur simultané et robuste pour les polytopes de systèmes. Avant de pouvoir énoncer des résultats concernant la commande simultanée de l’ensemble des segments d’un polytope de systèmes, nous avons étudié la commande d’un segment de systèmes avec un contrôleur LTI. Ce segment de systèmes est défini par les deux systèmes situés à chacune de ses extrémités et par un paramètre appartenant à un intervalle donné. La question de la stabilisation de cette classe de systèmes incertains a été formulée comme celle d’un problème de commande simultanée de deux systèmes situés aux extrémités avec une contrainte d’égalité des parties paires de chacun des deux polynômes caractéristiques en boucle fermée. Des conditions d’existence d’un régulateur stabilisant un segment de systèmes ont été données en utilisant deux critères de stabilité polynomiaux : le critère d’Hermite-Fujiwara et le critère d’Hermite-Biehler. Les résultats obtenus pour la commande simultanée d’un segment de systèmes ont été étendus à la stabilisation d’un polytope de systèmes. Ce problème a été réduit à la stabilisation des sommets du polytope avec un contrôleur simultané générant des polynômes caractéristiques en boucle fermée ayant la même partie paire (ou impaire). Des conditions d’existence de ces contrôleurs simultanés robustes d’ordre fixe sont données en utilisant les deux critères de stabilité mentionnés ci-dessus. Des algorithmes de synthèse sont également développés pour calculer ces régulateurs / In this manuscript, a new approach is proposed for the stabilization of polytopes of SISO LTI systems with a fixed order controller. Using the extended segment theorem, we have shown that to stabilize a polytope of LTI systems, it is sufficient to simultaneously stabilize all its vertices by considering an additional condition associated with them. In this paper, we have also presented original methods for the synthesis of simultaneous controllers by combining polynomial techniques and linear optimization. With the proposed synthesis methods, we have shown not only that the controller simultaneously stabilizes the vertices of the system polytope (simultaneous control), but also all systems belonging to the polytope (robust control). It is therefore a simultaneous and robust controller for system polytopes. Before stating results concerning the simultaneous control of all the segments of a polytope of systems, we have studied the control of a segment of systems with an LTI controller. This segment of systems is defined by the two systems located at each of its ends and by a parameter belonging to a given interval. The question of the stabilization of this class of uncertain systems has been formulated as that of a problem of simultaneous control of two systems located at the ends with an equal constraint of the even parts of each of the two characteristic polynomials in closed loop. Conditions of existence of a stabilizing controller for a segment of systems have been given using two polynomial stability criteria : the Hermite-Fujiwara criterion and the Hermite-Biehler criterion. The results obtained for the simultaneous control of a segment of systems have been extended to the stabilization of a polytope of systems. This problem has been reduced to the stabilization of the vertices of the polytope with a simultaneous controller generating closed loop characteristic polynomials having the same even (or odd) part. The existence conditions of these robust, fixed-order and simultaneous controllers are given using the two stability criteria mentioned above. Synthesis algorithms are also developed to design these controllers

Les systèmes implicites (dits aussi « descripteurs ») peuvent décrire des processus régis à la fois par des équations dynamiques et statiques et permettent de préserver la structure des systèmes physiques. Ils comportent trois types de modes : dynamiques finis, infinis (réponse temporelle impulsive (en cas continu) ou acausale (en cas discret)) et statiques. Dans le cadre du formalisme descripteur, les contributions de cette thèse sont triples : i) revisiter des résultats existants pour les systèmes d’état, ii) étendre certains résultats classiques au cas des systèmes implicites, iii) résoudre rigoureusement des problèmes de commande non standard. Ainsi, le présent mémoire commence par revisiter les résultats concernant la caractérisation LMI stricte de la dissipativité, les caractérisations de l’admissibilité et des performances H2 ou H∞ par LMI étendues et les équations de Sylvester et de Riccati généralisées. Il aborde dans un deuxième temps, le problème de stabilisation simultanée, avec ou sans critère H∞, à travers l’extension de certains résultats récents au cas des systèmes implicites. La solution proposée s’appuie sur la résolution combinée d’une équation algébrique de Riccati généralisée (GARE) et d’un problème de faisabilité sous contrainte LMI stricte. Il traite enfin des problèmes H2 et H∞ non standards : i) en présence de pondérations instables voire impropres, ii) sous contraintes de régulation; dans le cas des systèmes implicites. Ces dernières contributions permettent désormais de traiter rigoureusement, sans approximations ou transformations, de nombreux problèmes H2 ou H∞ formalisant des problèmes pratiques de commande, dont ceux faisant intervenir une pénalisation haute fréquence de la commande ou un modèle interne instable des signaux exogènes. / The descriptor systems have been attracting the attention of many researchers over recent decades due to their capacity to preserve the structure of physical systems and to describe static constraints and impulsive behaviors. Within the descriptor framework, the contributions of this dissertation are threefold: i) review of existing results for state-space systems, ii) generalization of classical results to descriptor systems, iii) exact and analytical solutions to non standard control problems. A realization independent Kalman-Yakubovich-Popov (KYP) lemma and dilated LMI characterizations are deduced for descriptor systems. The solvability and corresponding numerical algorithms of generalized Sylvester equations and generalized algebraic Riccati equations (GARE) associated with descriptor systems are provided. In addition, the simultaneous H∞ control problem is considered through extending recently reported results. A sufficient condition is proposed through a combination of a generalized algebraic Riccati equation and a set of LMIs. Moreover, the nonstandard H2 and H∞ control problems with unstable and/or nonproper weighting functions or subject to regulation constraints are addressed. These contributions allow, without approximation or transformation, dealing with many practical problems defined within H2 or H∞ control methodologies, where the control signals are penalized at high frequency or unstable internal models specified by external signals is involved.