On introduit dans cette thèse le concept nouveau de platitude. Un système est différentiellement plat (ou plus simplement plat) si son comportement peut être complètement décrit par un ensemble de fonctions différentiellement indépendantes dépendant des variables du système et de leurs dérivées : toute trajectoire du système peut s'obtenir à partir de cet ensemble de fonctions sans intégrer d'équations différentielles. La platitude se définit par l'intermédiaire d'une relation d'équivalence. Deux systèmes S et T sont équivalents s'il existe une correspondance bijective entre les trajectoires de S et celles de T. Par définition, un système est plat s'il est équivalent à un système "sans dynamique", c'est à dire un ensemble de fonctions arbitraires.

Le gaz naturel et le biogaz contiennent du H2S qui doit être éliminé avant toute utilisation. Cela se fait généralement par adsorption, par la récupération de H2S et par conversion en soufre élémentaire dans des procédés de type Claus. L'oxydation sélective catalytique de H2S par O2 est une alternative, mais les catalyseurs subissent une désactivation en raison de l'accumulation d'espèces soufrées et le mélange H2S/O2 nuit à la sélectivité. De plus, cela ne peut pas être fait en présence de l'hydrocarbure pour des raisons de sécurité. Un procédé innovant d'oxydation sélective de H2S en bouclage chimique est proposé dans lequel la réaction se déroule en deux étapes : la réduction d’un solide porteur d’oxygène par H2S avec formation de S élémentaire et la régénération du porteur par O2.Il est démontré que V2O5 est une phase active prometteuse pour ce procédé. Parmi plusieurs supports testés, le TiO2 et le SiO2 s’avèrent les plus adéquats et il est montré que les matériaux de faible surface doivent être privilégiés. L'effet de la teneur en V2O5 sur le support de TiO2 est étudié et il est montré que la distribution optimale de phase active est atteinte lorsque l'équivalent de 2 monocouches de V2O5 est présent. L’étude de la réactivité de ce porteur montre qu’un équilibre optimal entre V3+, V4+ et V5+ est nécessaire. La présence d'espèces V4+ favorise la réactivité, mais seule la réduction d'espèces V5+ à V4+ est sélective, la réduction en V3+ entraînant la formation de SO2. Ce procédé est insensible à la présence de méthane, ouvrant la voie à la purification du biogaz ou du gaz naturel sans nécessiter de séparation préalable du H2S. / Natural gas and biogas resources contain H2S, which needs to be removed prior to any use. This is usually done by adsorption followed by H2S recovery and conversion through Claus type processes to produce elemental sulfur. Direct catalytic selective oxidation of the H2S to elemental sulfur is an alternative but catalysts suffer from deactivation due to accumulation of sulfur species and H2S/O2 mixing usually affects selectivity. Furthermore, it cannot be done in the presence of the hydrocarbon due to safety issues. To overcome these limitations, a Chemical Looping Selective Oxidation of H2S (CLSOSH) process is proposed in which the reaction proceeds in two steps: a “reductant step” in which H2S reduces the carrier and produces elemental S and an “oxidant step” in which the carrier is regenerated by O2. V2O5 was demonstrated that to be a promising active phase for CLSOSH. Several support materials were tested. TiO2 and SiO2 proved to be the most adequate and it was shown that low surface area materials should be privileged. The effect of V2O5 loading on TiO2 support was investigated and it was shown that optimal distribution of V2O5 is reached when the equivalent of 2 monolayers of active phase are present. Detailed analysis of the reactivity of this carrier showed that an optimal balance between V3+, V4+, and V5+ need to be found. The presence of V4+ species promote reactivity but only V5+ to V4+ species reduction should be involved to reach optimal selectivity as reduction to V3+ lead to SO2 formation. CLSOSH proved to be insensitive to the presence of methane is the feed, opening the path for biogas or natural gas purification without the need of H2S separation.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la stabilité robuste de lois de commande de systèmes non linéaires. La première partie s'intéresse aux systèmes non linéaires entrée-sortie linéarisés et découplés par bouclage statique. Nous rappelons la définition de l'immersion d'un système entrée-sortie et nous distinguons deux cas: l'immersion est localement bijective, les résultats de stabilité et de robustesse se ramènent au cas linéaire là où la loi de bouclage ne présente pas de singularité ; l'immersion n'est pas bijective. Dans ce cas, la loi de bouclage a rendu une partie de la dynamique inobservable, la dynamique des zéros. Nous donnons une définition de la stabilité moins restrictive que la stabilité asymptotique, la K-stabilité, et nous donnons deux conditions nécessaires de K-stabilité, l'une étant de nature topologique et utilisant la caractéristique d'Euler-Poincaré de la sous-variété asymptotique inobservable. La seconde partie est consacrée à l'étude de la linéarisation totale des systèmes non linéaires entrée-état par bouclage dynamique. Nous montrons d'abord que pour les systèmes mono-entrée, la linéarisation par bouclage dynamique est équivalente à la linéarisation par bouclage statique. Nous donnons ensuite une condition nécessaire triviale de linéarisation par bouclage dynamique. Nous montrons que cette condition est suffisante pour les systèmes ayant une dimension de plus que de com- mande. Puis nous donnons des conditions suffisantes de linéarisation totale par bouclage dynamique pour les systèmes non linéaires multi-entrée. Des exemples, dont un tiré de l'aéronautique, nous montrent comment mettre en œuvre ces conditions.

Cette thèse traite du problème de la stabilisation d'un système de lancement aéroporté (éventuellement non habité) pour satellites. Le lancement aéroporté consiste à ramener, à l'aide d'un avion, un satellite et son lanceur (fusée) à une certaine hauteur, et d'exécuter son lancement dans les airs (souvent en larguant la fusée). Ceci est similaire au lancement d'un missile par un avion chasseur. La plus grande différence réside dans le rapport de masse entre l'avion et le lanceur qui est beaucoup plus proche de l'unité (fusée lourde comparée à la masse de l'avion). Le système est composé de deux étages: le premier étage est dit avion porteur qui est un véhicule aérien automatisé. Il porte le lanceur qui constitue le deuxième étage (la fusée). Dans la première partie, sont proposées des approches de modélisation pour le système de largage pendant et après le largage. La première approche considère que la phase de séparation est instantanée, mais imparfaite. Par conséquent le système est vu comme un modèle d'aéroplane dont les variables d'état sont avec des larges conditions initiales dues à la séparation imparfaite. Une deuxième approche considère la séparation elle-même, représentée par une forte perturbation (un extrême cas) sur les forces et couples aérodynamiques du modèle au cours d'un intervalle de temps. Dans la deuxième partie, afin de stabiliser le système de largage après la séparation, la commande à intégrateur conditionnel modifié est développée dans un premier temps pour une classe des systèmes non-linéaires multi-entrées multi-sorties, avec comme point de départ la théorie introduite par Khalil et co-auteurs pour des systèmes mono entrée mono sortie. Cette commande a été ensuite étendue pour la commande à servo-compensateur conditionnel modifié pour une classe de systèmes non-linéaires multi-entrées multi-sorties. Les deux stratégies ont été appliquées pour stabiliser le système de largage pendant et après la phase de séparation. Ces techniques ont l'avantage d'être robustes et de pouvoir utiliser des modèles approximatifs. D'un autre côté, il était important d'examiner la possibilité d'obtenir de meilleures performances en utilisant de meilleurs modèles. Pour cette raison, la commande de linéarisation par bouclage dynamique a été étudiée. Finalement, les performances de toutes ces méthodes de commande (ainsi que certaines commandes de base additionnelles) ont été illustrées par des simulations sous Matlab/Simulink sur un modèle non-linéaire de F-16. / This thesis addresses the problem of the stabilization of an (unmanned) airlaunch system. Air launching consists in bringing a satellite and its launcher (rocket) to a certain height using an aircraft, and then launching it from the air (often by dropping the rocket), in a similar way of launching a missile from a fighter. The main difference is that the envisaged mass ratio is much closer to one (heavy rocket compared to aircraft mass). It is then composed of two stages: the first stage called carrier aircraft consists of an <unmanned> aerial vehicle that carries the launcher which constitutes the second stage (rocket). This thesis starts by introducing the problem and objectives, continues by presenting several approaches to model the airlaunch system, and ends by developing different advanced control methods to stabilize it after the launching phase. In the modeling part we propose a firstly approach called the initial condition model which assumes that the separation phase is instantaneous, and then the airlaunch system is composed of an aircraft model after the launching phase but with large initial conditions on its state variables, caused by a non-perfect split phase. A second approach assumes that the separation phase itself is modeled by a disturbance on aerodynamic forces and moments (from a worst case) during a time interval. In the control part a modified conditional integrator controller for a class of nonlinear multi-input multi-output systems is first developed starting from the conditional integrator theory developed by Khalil and co-workers. It is then extended to a modified conditional servocompensator control for a class of nonlinear multi-input multi-output systems. Both control strategies were then applied to stabilize the airlaunch system after the separation phase. They have the advantage of being very robust, and they don't depend so much on reliable models. Even if these control strategies gave good results, it was investigated in this thesis another control approach much more dependent on detailed and reliable models. This approach was based on dynamic feedback linearization theory, and the main idea is to obtain better performance in trade off better models. Finally, all proposed control methods (plus some standard ones) were compared and illustrated by simulations under Matlab/Simulink on a nonlinear F-16 model. These simulations have shown that the results were as expected, and that each control strategy was well fit for a particular situation.

Cette thèse étudie l'approche LPV pour la commande robuste des systèmes non linéaires. Son originalité est de proposer pour la première fois un cadre rigoureux permettant de résoudre efficacement des problèmes de synthèse non linéaire. L'approche LPV a été proposée comme une extension de l'approche H-infini dans le contexte des systèmes LPV (" Linéaires à Paramètres Variant dans le temps "), voire non linéaires. Quoique prometteuse, cette approche pour la commande des systèmes non linéaires restait peu utilisée. En effet, au-delà même de certaines limitations théoriques, la nature des solutions obtenues semblait inadéquate. Cette question ouverte est notre point de départ. Nous montrons tout d'abord que la faible variation des correcteurs constatée est due avant tout à la nature du schéma informationnel utilisé traditionnellement lors de la synthèse LPV, et que sous des hypothèses raisonnables, le cadre LPV peut permettre de recouvrir des stratégies de type " linéarisation par bouclage ". Ce point étant acquis, une deuxième difficulté réside dans l'obtention effective de correcteurs non linéaires donnant des garanties de performance. Nous proposons un cadre rigoureux permettant de résoudre efficacement un problème de synthèse incrémentale pondérée, par la résolution d'un problème LPV associé à un schéma informationnel spécifique compatible avec celui identifié dans la première partie. Cette étude et son aboutissement à la définition d'un cadre formel et d'une procédure complète d'obtention de correcteurs, incluant des méthodes de réduction de complexité, donnent des arguments puissants en faveur de l'approche LPV pour la commande robuste de systèmes non linéaires.

Nous abordons dans ce mémoire le problème délicat de l'indexation de plans vidéo et en particulier l'indexation automatique par le contenu sémantique. L'indexation est l'opération qui consiste à extraire une signature numérique ou textuelle qui décrit le contenu de manière précise et concise afin de permettre une recherche efficace dans une base de données. L'aspect automatique de l'indexation est important puisque nous imaginons bien la difficulté d'établir les signatures manuellement sur de grandes quantités de données. Jusqu'à présent les systèmes automatiques d'indexation et de recherche d'images ou de vidéos se sont concentrés sur la description et l'indexation du contenu purement visuel. Les signatures permettaient d'effectuer une recherche principalement sur les couleurs et les textures des images. A présent, le nouveau défi est d'ajouter à ces signatures une description sémantique du contenu de manière automatique. Un éventail des techniques utilisées pour l'indexation du contenu visuel est tout d'abord présenté. Ensuite nous introduisons une méthode pour calculer une signature précise et compacte à partir des régions des images clefs des plans. Il s'agit d'une adaptation de l'analyse de la sémantique latente qui fut initialement introduite pour indexer le texte. La tâche délicate de la recherche par le contenu sémantique est ensuite abordée. Les expériences sont conduites dans le cadre de l'évaluation TRECVID qui nous permet d'obtenir une grande quantité de vidéo avec leurs annotations. Nous poursuivons la classification sémantique en étudiant la fusion de systèmes de classification. Finalement nous introduisons une nouvelle méthode d'apprentissage actif.

Cette thèse adresse le problème suivant soit un robot mobile à roues equipé de capteurs, supposés parfaits, renvoyant en temps réel sa localisation. Notre objectif est de construire des lois de commande permettant à autonome. Nous avons dans un premier temps supposé que les roues roulent sans glisser sur le sol. Ceci est réaliste à vitesse modérée et sur des terrains de bonne adhérence. Les possibilités d'évolution des robots étant alors contraintes, ces systèmes sont clairement non-holonomes. Leur modélisation est détaillée. Elle montre que, dans l'optique de la synthèse de lois de commande, l'ensemble des robots mobiles à roues constitue 5 classes d'équivalence. La poursuite d'une trajectoire mobile et la stabilisation sur une configuration de repos sont, pour les systèmes non-holonomes, 2 problèmes distincts. Les solutions classiques peuvent être utilisées pour 4 classes de robots. Celle regroupant les robots équipés de plu sieurs roues commandées en orientation et en rotation présente une difficulté: le modèle de ces systèmes comporte des singularités. Nous avons construit, pour la poursuite, des lois de linéarisation par bouclage d'état dynamique, et pour la stabilisation, des lois de bouclage de l'état et du temps, qui garantissent que ces robots ne passent pas par leurs singularités. Enfin, pour la poursuite de trajectoires mobiles se terminant par une configuration de repos, nous avons proposé un schéma de commande hybride exploitant ces lois. Indépendamment, nous avons aussi analysé le taux de convergence de bouclages de l'état et du temps. Afin d'aborder la commande de robots à des vitesses élevées et/ou avec une mauvaise adhérence, nous avons dans un second temps relâché l'hypothèse de non-glissement. Une seconde modélisation, exploitant la description du contact d'un pneumatique avec le sol, est proposée. Celle-ci étant indéfinie à vitesse nulle, seule la poursuite d'une trajectoire mobile est envisagée. Nous avons proposé des lois de linéarisation partielle par bouclage d'état statique, et un schéma adaptatif afin qu'elles soient robustes pour les conditions d'adhérence.

Cette thèse étudie l'approche LPV pour la commande robuste des systèmes non linéaires. Son originalité est de proposer pour la première fois un cadre rigoureux permettant de résoudre efficacement des problèmes de synthèse non linéaire. L'approche LPV a été proposée comme une extension de l'approche H-infini dans le contexte des systèmes LPV (« Linéaires à Paramètres Variant dans le temps »), voire non linéaires. Quoique prometteuse, cette approche pour la commande des systèmes non linéaires restait peu utilisée. En effet, au-delà même de certaines limitations théoriques, la nature des solutions obtenues semblait inadéquate. Cette question ouverte est notre point de départ. Nous montrons tout d'abord que la faible variation des correcteurs constatée est due avant tout à la nature du schéma informationnel utilisé traditionnellement lors de la synthèse LPV, et que sous des hypothèses raisonnables, le cadre LPV peut permettre de recouvrir des stratégies de type « linéarisation par bouclage ». Ce point étant acquis, une deuxième difficulté réside dans l'obtention effective de correcteurs non linéaires donnant des garanties de performance. Nous proposons un cadre rigoureux permettant de résoudre efficacement un problème de synthèse incrémentale pondérée, par la résolution d'un problème LPV associé à un schéma informationnel spécifique compatible avec celui identifié dans la première partie. Cette étude et son aboutissement à la définition d'un cadre formel et d'une procédure complète d'obtention de correcteurs, incluant des méthodes de réduction de complexité, donnent des arguments puissants en faveur de l'approche LPV pour la commande robuste de systèmes non linéaires. / This thesis studies the LPV approach for the robust control of nonlinear systems. Its originality is to propose for the first time a rigorous framework allowing to solve efficiently nonlinear synthesis problems.The LPV approach was proposed as an extension of the H-infinity approach in the context of LPV (Linear Parameter-Varying) systems and nonlinear systems. Although this approach seemed promising, it was not much used in practise. Indeed, beyond certain theoretical limitations, the nature itself of the obtained solutions did not seem adequate. This open question constitutes the starting point of our work.We first prove that the observed weak variation of the controllers is in fact mostly due to the information structure traditionally used for LPV synthesis, and that under reasonable assumptions, the LPV framework can overlap feedback linearization strategies. This point having been resolved, a second difficulty lies in the actual achievement of nonlinear controllers yielding performance guarantees. We propose a rigorous framework allowing to solve efficiently an incremental synthesis problem, through the resolution of an LPV problem associated to a specific information structure compatible with the one identified in the first part.This study and its corollary description of a formal framework and of a complete controller synthesis procedure, including complexity reduction methods, provide powerful arguments in favor of the LPV approach for the robust control of nonlinear systems.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur la modélisation et la commande non linéaire le système du forage pétrolier. La problématique principale consiste à proposer un modèle de forage non linéaire et à élaborer un ensemble de stratégies de commande avancées pour améliorer les performances du trépan.<br />A l'heure actuelle, les commandes des systèmes de forage pétroliers sont réalisées à l'aide de régulateurs classiques PI ou PID. Leurs performances se dégradent notablement lors de vibration de torsion causée par le « stick- slip », phénomène qui peut provoquer des couples non linéaires et donc endommager le trépan et le train de tiges. Par conséquent, il est nécessaire de disposer de systèmes de commande plus performants afin de mieux répondre aux exigences et aux performances demandées.<br />En dépit des diverses lois de commandes linéaires tentatives pour commander ce système mais qui ne garantissent pas la stabilité vis-à-vis des incertitudes. Ceci nous a conduits à proposer une modèle non linéaire en prenant en compte la totalité de l'information du phénomène du stick-slip, ce qui a conduit à une modélisation globale du forage rotary approchant donc au mieux le comportement réel de la plate-forme pétrolière. Pour cela, nous avons suggéré deux approches pour améliorer les performances du système de forage rotary:<br />• Commande par la technique de linéarisation par bouclage.<br />• Développement d'une commande par la technique des modes glissant associé à la commande linéarisation par Bouclage.<br />Comme le système de forage est généralement, est un système soumis aux incertitudes paramétriques, nous avons proposé, de plus, une nouvelle loi de commande non linéaire par Backstepping permettant de mieux améliorer la réponse de la vitesse de rotation du trépan.<br />Ces trois stratégies de commandes apparaissent la première fois dans ce domaine et la approche de Backsteping s'avère la meilleure. Les résultats de simulations obtenus dans les trois cas sont concluants et la synthèse par Backstepping montré la supériorité de, où la question de robustesse a pu être considérée.

Cette thèse est construite autour de deux sujets, proches l'un de l'autre, mais traités séparément. Le premier problème abordé concerne la synthèse des bouclages de sortie d'un point de vue général. Le second traite d'une méthode particulière de construction d'observateurs. La littérature actuelle concernant le bouclage de sortie est riche de travaux épars, sans liens apparents, qui permettent de concevoir des bouclages de sortie pour de nombreux systèmes. Il est difficile pour le profane ou l'ingénieur de se retrouver dans les méandres de ces résultats. L'objectif de la première partie de cette thèse est donc double, dans un premier temps nous classifions et donnons pour la synthèse de bouclage de sortie des principes certes généraux mais qui restent loin de l'application. Dans un second temps, en se restreignant aux systèmes triangulaires nous donnons de la matière à ces règles générales, ce qui nous permet de constater au passage que des contraintes jusque là imposées peuvent être relâchées. Notre étude concernant la synthèse d'observateur est basée sur de récents travaux qui traitent de l'extension des observateurs de Luenberger aux systèmes non linéaires. Notre contribution réside dans l'extension de cette méthode à une classe plus générale de systèmes et par la mise en lumière des procédés de synthèse de cet observateur.