L’objectif de ce travail de thèse est de présenter des résultats expérimentaux ducontrôle de la température au sein d’une serre. Des techniques de commande de types PIDet LQG, ajustées à l’aide de l’identfication et des techniques de commande sans modèle sontappliquées au processus complexe de régulation des paramètres climatiques sous serre. Les résultatsobtenus nous ont permis d’envisager à terme une meilleure maîtrise des paramètresclimatiques. La mise en oeuvre de ces contrôleurs requiert généralement la réalisation d’undispositif électronique piloté par ordinateur doté d’une carte d’acquisition et de restitution desdonnées. Cette carte qui est aussi associée aux circuits électroniques permet de réaliser l’acquisition,le traitement et le stockage des données climatiques (température, humidité relativede l’air, et teneur en CO2). Elle permet en outre une meilleure adaptation de la puissancefournie aux différents actionneurs installés au sein de la serre. Des interfaces graphiques ontété développées, en utilisant le logiciel SIMULINK/Matlab. Ces derniers rassemblent à la foisune rapidité de fonctionnement, une facilité d’utilisation et une interactivité et une puissancede traitement en temps réel de l’ensemble des données. / The principal aim of this thesis is to present the experimental results for controllingtemperature under greenhouse. The PID and LQG controllers are inevitably adjusted by theidentification and the model free control also was implemented to the complex system in orderto regulate the climatic parameters under greenhouse. The obtained results shows the goodperformances for monitoring these parameters. The greenhouse environment is automated withseveral actuators and sensors that are connected to an acquisition and control system basedon a personal computer . This later is associated with electronic circuits allows to protectthe acquisition card against overvoltages and perform the acquisition, treatment and storageof climate data (temperature, relative humidity of the air, and content of CO2). It permitsfurthermore to obtain a good adaptation power given to the actuators that installed in thegreenhouse. Graphical interfaces have been developed using the Simulink/Matlab software.these later bring together both speed foncionnement, ease of use and interactivity and powerof processing the data in real-time.

Les travaux de cette thèse portent sur l'analyse de stabilité et la synthèse de commandes robustes pour les systèmes non linéaires. La conception des contrôleurs/observateurs nécessite souvent la connaissance totale ou partielle du modèle du procédé à contrôler. Néanmoins, l'obtention d'un modèle à la fois exploitable et suffisamment fidèle est difficile et chronophage, ce qui provoque l'augmentation du coût total de développement d'un système d'asservissement. Afin de réduire la quantité ainsi que la qualité des informations nécessaires sur le système, de nouvelles méthodes de synthèse d'observateurs et de contrôleurs ont été développées dans cette thèse. En effet, si le modèle est connu, une loi de commande par retour de sortie à base d'observateur de type Luenberger a été proposée. Pour cette loi de commande, le système bouclé est vu comme l’interconnexion de deux sous systèmes : la boucle fermée idéale et l'erreur d'observation. Dans le cas où peu d'informations sont disponibles, une loi de commande à modèle restreint (''sans modèle'') a été développée. Afin d’estimer l’état du système, des dérivateurs/estimateurs non-asymptotiques tel que les dérivateurs numériques basés sur l’algèbre différentielle ou encore les dérivateurs asymptotiques tels que les observateurs et les filtres ont été considérés. Les deux lois de commande proposées ont permis de conserver l'aspect non linéaire du système ainsi que d'obtenir des résultats les plus généraux que possible en reformulant les problèmes sous la forme de systèmes polytopiques convexes. Les travaux de cette thèse font appel principalement à la méthode directe de Lyapunov avec fonction quadratique. / This work focuses on the stability analysis and the robust control synthesis for nonlinear systems. The design of controllers/observers ofen require a complite or partiel knowledge of the process model to control. Nevertheless, obtaining a model both reable and sufficiently accurate is not only difficult and time-consuming but also it increases the total cdevelopment cost of a control system. In order to reduce the quantity and quality of informations required on the system, new methods of observers and controllers synthesis have been proposed. With known models, an output feedback controller based Luenberger observer was proposed. For this control law, the system closed loop is viewed as the interconnection composed with the ideal closed loop and the observation error. In case where few informations are available, a restricted-model (''model-free'') controller is proposed. In order to estimate the system state, non-asymtotic derivators /estimators based on differentiel algebra or asymptotic ones such as observers or filters have been considered. Both of these control laws have allow to maintain the nonlinear aspects of the system and to obtain general results by reformulating the problem into convex polytopic systems forms. The works of this thesis mainly relies on direct Lyapunov method with quadratic function.

Un Système Contrôlé en Réseau (SCR en français, NCS (Networked Control System) en anglais) est un système de contrôle/commande distribué dans lequel les informations sont échangées en temps réel via un réseau reliant capteurs, actionneurs, contrôleurs, …) Ces SCR sont présents dans de nombreuses applications industrielles tels que les systèmes de production, les systèmes contrôlés à distance, les véhicules autonomes, la téléopération, …. Les principaux avantages de ces systèmes sont la flexibilité de leur architecture et la réduction des coûts d'installation et de maintenance, le principal inconvénient est les effets dus au réseau tels que les retards de transmission, qui influencent les performances et la stabilité de la boucle de régulation, ces systèmes sont également vulnérables aux cyber – attaques.Cette thèse apporte quelques contributions sur la détection des cyber attaques ainsi que le développement d'un contrôleur capable de traiter les effets des retards temporels.Pour atteindre cet objectif, la méthode proposée est d'adapter une commande sans modèle et d'améliorer son utilisation dans les Systèmes Contrôlés en Réseau. L'idée principale est basée sur le bénéfice mutuel d'un prédicteur de Smith et du modèle de base de la commande sans modèle. Ensuite, la structure intelligente de la commande sans modèle est appliquée avec une commande prédictive généralisée (GPC Generalized Predictive Control) de manière à obtenir une commande prédictive généralisée intelligente, qui est une amélioration du contrôleur généralisé standard. Ce contrôleur est conçu selon deux méthodes différentes pour détecter les cyber attaques.Parallèlement, un nouveau mécanisme de sécurité basé sur une réponse trompeuse pour les cyber attaques dans les Systèmes Contrôlés en Réseau est proposé. Le mécanisme proposé peut permettre d'arrêter une cyber-attaque en apportant une dernière ligne de défense lorsque l'attaquant a un accès à l'installation distante.Enfin, deux détecteurs d'attaque de piratage de commande sont introduits. L'objectif est de pouvoir détecter une attaque tel que le cas Stuxnet où le contrôleur a été détourné par reprogrammation. L'avantage des détecteurs proposés est qu'il ne nécessite pas d'avoir a priori un modèle mathématique du contrôleur. / A networked control system (NCS) is a control system in which the control loop is closed over a real-time network. NCSs are used in many industrial applications, and also in applications such as remote control, unmanned aerial vehicles or surgical teleoperation, ... The major advantages of NCS are a flexible architecture and a reduction of installation and maintenance costs, the main disadvantage of NCS is the network effects, such as time-delays, that influence the performance and stability of the control loop. These systems are also vulnerable to cyber attacks.This thesis makes some contributions regarding the detection of cyber-physical attacks as well as the development of a controller which capable of dealing with the other the bad effects of the network like time-delays.To achieve this goal, the proposed approach is to adapt model-free controller and to improve its use in NCS. The main idea is based on mutual benefit between Smith predictor and the basic model-free controller. Then, the intelligent structure of model-free control is applied along with Generalized Predictive Controller (GPC) to achieve the Intelligent Generalized Predictive Controller (IGPC) as an enhancement for the standard GPC. The IGPC is designed along with two different methods for cyber-attack detection.Moreover, a new security mechanism based on the deception for the cyber-physical attacks in NCS is proposed, this mechanism can allow to stop the cyber-attacks by providing the last line of defense when the attacker has an access to the remote plant.Finally, two detectors for controller hijacking attack are introduced. The objective is to be able to detect an attack such as the Stuxnet case where the controller has been reprogrammed and hijacked. The advantage of these proposed detectors is that there is not necessary to have a priori mathematical model of the controller.

Ce mémoire est consacré à la mise en œuvre de commandes d'un train de véhicules intelligents sur autoroute ayant pour objectifs principaux de réduire la congestion et d'améliorer la sécurité routière. Après avoir présenté l'état de l'art sur des systèmes de conduite automatisée, des modèles de la dynamique longitudinale et latérale du véhicule sont présentés. Ensuite, des stratégies de contrôle longitudinal et latéral sont étudiées.D'abord, le contrôle longitudinal est conçu pour être hiérarchique avec un contrôleur de niveau supérieur et un contrôleur de niveau inférieur. Pour celui de niveau supérieur, une régulation d'inter-distance SSP (Safety Spacing Policy) est proposée. Nous avons constaté que la SSP peut assurer la stabilité de la chaîne et la stabilité des flux de trafic et augmenter ainsi la capacité de trafic. Puis, pour celui de niveau inférieur, une loi de commande floue coordonnée est proposée pour gérer l'accélérateur et le freinage. Ensuite, une loi de commande multi-modèle floue est conçue pour le contrôle latéral. De plus, pour réaliser des transformations lisses entre les différentes opérations latérales, une architecture de contrôle hiérarchique est proposée. Puis, l'intégration des commandes longitudinale et latérale est étudiée. Enfin, l'estimation des variables d'états du véhicule est discutée. Un filtre de Kalman-Bucy est conçu pour estimer les états du véhicule. En outre, un prototype de véhicule intelligent à échelle réduite est également présenté. Les performances des divers algorithmes de commande proposés ont été testées par simulations, et les résultats ont été confirmés par les premières expériences en utilisant le prototype

Un robot mobile se déplaçant à une vitesse élevée sur un sol naturel est soumis à des phénomènes de glissement et de dérapage. La maîtrise des déplacements à haute vitesse en environnement naturel peut devenir un enjeu important pour des applications robotiques dans l'exploration terrestre, spatiale, ou dans l'agriculture. Durant la thèse, nous avons développé un modèle d'interaction semi-empirique entre les roues et le sol, qui a été ensuite intégré à une nouvelle méthode de commande du système. L'objectif global est la conception d'une architecture de commande pour le suivi de trajectoire ou de chemin, en tenant compte de la dynamique et des glissements. Cette architecture de commande a été validée dans un environnement de simulation dynamique, dans lequel nous avons implémenté le modèle de contact. Une plateforme robotique a été construite et instrumentée afin de démontrer expérimentalement la pertinence de cette approche. En particulier, un capteur de vitesse absolue basé sur l'effet Doppler a été développé. Il est ainsi possible de mesurer le glissement des roues par rapport au sol et de le réguler. Une procédure d'estimation in situ des paramètres du modèle de contact a également été validée.

Le nombre de degrés de liberté à contrôler dans un système d'optique adaptative (OA) passe de quelques centaines pour les grands télescopes actuels à plusieurs milliers prévus sur les futurs télescopes de 30 à 100 mètres de diamètre. La méthode de commande de cette OA doit être repensée à la fois pour être en adéquation avec les nouveaux critères de performance et pour pouvoir estimer un si grand nombre de paramètres en temps réel. Je montre d'abord qu'il est possible d'améliorer l'estimation de la déformation de la surface d'onde, d'un facteur 2 sur la variance de l'erreur, en tenant compte de connaissances a priori sur la statistique de la turbulence atmosphérique et ce, tout en utilisant un algorithme rapide adapté aux grands systèmes. Ensuite, l'optimisation d'un critère en boucle fermée me conduit à une commande optimale par modèle interne, applicable en temps réel sur un télescope hectométrique grâce à l'algorithme rapide cité précédemment. La robustesse de cette nouvelle méthode de commande a enfin été éprouvée sur un simulateur complet d'OA et ses performances ont été comparées à d'autres approches.

.

Inspiré par les limitations de contrôleurs PID traditionnels et les différentes performances dans les cas idéals et réalistes, les quadrotors existants, leurs applications et leurs méthodes de contrôle ont été intensivement étudiés dans cette thèse. De nombreux challenges sont dévoilés: les systèmes embarqués ont des limites des ressources de calcul et de l'énergie; la dynamique est assez complexe et souvent mal connu; l'environnement a beaucoup de perturbations et d'incertitudes; de nombreuses méthodes de contrôle ont été proposées dans des scénarios idéaux dans la littérature sans comparaison avec d’autres méthodes. Par conséquent, cette thèse porte sur ces principaux points dans le contrôle de quadrotors.Tout d'abord, les modèles cinématiques et dynamiques sont proposés, y compris toutes les forces et couples aérodynamiques importants. Un modèle dynamique simplifié est également proposé pour certaines applications. Ensuite, la dynamique de quadrotor est analysée. En utilisant la théorie de la forme normale, le modèle de quadrotor est simplifié à une forme plus simple nommée la forme normale, qui présente toutes les propriétés dynamiques possibles du système d'origine. Les bifurcations de cette forme normale sont étudiées, et le système est simplifié à son point de bifurcation en utilisant la théorie de la variété du centre. Basé sur l’étude des applications de quadrotors, cinq scénarios réalistes sont proposés : un cas idéal, les cas avec la perturbation du vent, les incertitudes des paramètres, les bruits de capteurs et les fautes de moteur. Ces cas réalistes peuvent montrer plus globalement les performances des méthodes de contrôle par rapport aux cas idéaux. Un schéma déclenché par événements est également proposé avec le schéma déclenché par. Ensuite, la commande sans modèle est présentée, Il s'agit d'une technique simple mais efficace pour la dynamique non-linéaire, inconnue ou partiellement connue. La commande par backstepping et la commande par mode glissant sont également proposées pour la comparaison.Toutes les méthodes de contrôle sont mises en œuvre sous les schémas déclenchés par temps et par événements dans cinq scénarios différents. Basé sur l’étude des applications de quadrotors, dix critères sont choisis pour évaluer les performances des méthodes de contrôle, telles que l'erreur maximale absolue de suivi, la variance de l'erreur, le nombre d’actionnement, la consommation d'énergie, etc. / Inspired by the limitations of traditional PID controllers and the different performance in ideal and realistic cases, the existing quadrotors, their applications and control methods have been intensively studied in this dissertation. Many challenges are shown: embedded quadrotor systems have limit computational resources and energy; the aerodynamic dynamics is rather complex and poorly known; environment has many disturbances and uncertainties; many control methods have been proposed in ideal scenarios in literature without comparison. Therefore, this dissertation focuses on these main points in control of quadrotors.A kinematic model and a dynamic model are proposed, including all the important aerodynamic forces and moments. A simplified dynamic model is also given based on some applications. Then, the dynamics of quadrotor is analyzed. Using the normal form theory, the model of quadrotor is simplified to a simplest form named the normal form, which exhibits all possible dynamic properties of the original system. The bifurcations of its normal form are then studied, and the system can be further simplified at its bifurcation point using the center manifold theory.Based on the research of the applications in the first chapter, five typical realistic scenarios are proposed: an ideal case, the cases with wind disturbance, parameter uncertainties, sensor noises and actuator faults. These realistic cases can show comprehensively the performance of control methods respect to the ideal cases. An event triggered scheme is also proposed with the time triggered scheme in order to further save computational resources. Then, a newly proposed method the model free control is presented. It is a simple but efficient technique for the nonlinear, unknown or partially known dynamics. A backstepping control and a sliding mode control are also proposed for the sake of comparison.All the control methods are implemented in the time and event triggered schemes in five different scenarios. In order to keep closer to realistic situations, the control gains of each methods are not changed in different scenarios. Based on the study in the first chapter, ten criteria are chosen for measuring the performance of control methods, such as the maximum absolute tracking error, the error variance, the actuation steps, the energy consumption, etc.

Dans ce travail de thèse, la commande sans modèle a tout d'abord été appliquée et adaptée au cas des systèmes présentant un retard connu ou inconnu. Cette méthode de commande ne nécessitant pas la connaissance précise d'un modèle du système, elle trouve toute son efficacité dans l'appréhension de retards inconnus. Différentes adaptations de l'approche classique, reposant sur la minimisation de critères temporels et fréquentiels, ont été proposées suivant le contexte d'un retard connu, borné ou inconnu. Elles nous ont permis d'élargir le spectre des systèmes considérés et d'améliorer les performances intrinsèques de la commande sans modèle. Les systèmes retardés, qui sont la cible privilégiée de ce travail, ont pu bénéficier de ces améliorations. Le problème du diagnostic des systèmes à retard a ensuite été abordé. Une nouvelle méthode de diagnostic sans modèle a été proposée, fondée sur les principes mêmes de la commande sans modèle. Cette proposition s'appuie sur la seule évolution temporelle des signaux entrée/sortie du système. Par la génération de signaux résiduels, la détection et la localisation de défauts d'actionneurs et du système est assurée sous certaines hypothèses. Finalement, nous avons montré en quoi la commande sans modèle s'apparente à une commande tolérante aux défauts et son efficacité en tant que telle a été prouvée. Une différence importante est à souligner par comparaison à d'autres commandes plus classiques, de type PI par exemple. En effet, la commande sans modèle est non seulement robuste à des signaux perturbateurs basses fréquences en entrée, à l'identique d'une structure PI classique, mais elle permet également de rejeter d’autres types de signaux révélateurs de défauts via l’estimation de certains paramètres de synthèse. Tout au long du mémoire, l'efficacité des approches proposées en commande et en diagnostic est perçue au travers d'exemples académiques / In this thesis, the model-free control was applied and adapted to delayed systems whose delay is either known or unknown. This method of control does not require the specific knowledge of a model of the system, it finds all its effectiveness in the apprehension of the unknown delays. Different adaptations of the classical approach, based on the minimization of frequency and temporal criteria, have been proposed in the context of a known, bounded or unknown delay. They allowed us to extend the range of systems considered and to improve the intrinsic performance of the model-free control. The delayed systems, which are the main target of this thesis, were able to benefit from these improvements. The problem of the fault-diagnosis of delayed systems was then addressed. A new method of model-free diagnosis has been proposed, based on model-free control principles. Our proposal only uses the temporal evolution of the system's input and output signals. Due to the generation of residual signals, the detection and localization of actuator/system faults were permitted under certain assumptions. Finally, we have studied the fault-tolerance properties of model-free control and its efficacy has been proven. Compared with more conventional methods, such as the PI Controller for example, a notable difference is to be mentioned. Indeed, unlike a PI controller, the model-free control is robust not only to low-frequency input disturbance signals, but it also allows for the rejection of other signal types by estimating summary parameters. Throughout this report, the effectiveness of the proposed approaches was illustrated in terms of control or diagnosis by multiple academic examples

De nos jours, les exigences en productivité dans le monde industriel imposent aux robots un comportement optimal en termes de précision géométrique et dynamique, et en termes de temps de réponse. Ainsi, la présence des flexibilités dans les liaisons pivots des structures mécaniques légères se déplaçant à grande vitesse et sous charges importantes peut limiter dynamiquement la précision et le temps de stabilisation sur la pose finale du robot. La problématique traitée dans ces travaux concerne la maîtrise des vibrations des robots sériels à liaisons flexibles durant les opérations de prise et dépose (Pick and Place).Dans ces travaux, nous effectuons une modélisation et une identification expérimentale des paramètres géométriques et dynamique d’un robot à liaisons flexible. Ce modèle sera utilisé dans la synthèse d’une loi de commande basée modèle dédiée aux robots à flexibilité articulaire. Cette stratégie permet de réduire les vibrations lors des phases exigeantes dynamiquement. Des simulations sur un robot Scara sont alors conduites pour valider la pertinence de cette loi de commande qui intègre un modèle des flexibilités présentes dans les liaisons pivots dans le schéma de commande. Nous appliquons sur le même simulateur du robot à liaisons flexibles trois autres stratégies de commande afin de faire une comparaison (commande PD, commande dédiée aux robots rigides et commande ne considérant pas les amortissements). Le schéma de la loi de commande basée modèle permet de respecter la précision de pose finale avec une diminution du temps de stabilisation. Finalement, Le calcul de l’erreur d’asservissement nous a permis de constater l’influence des erreurs de modélisation de la flexibilité sur la précision de la tâche. Dans ce contexte, une analyse de sensibilité aux paramètres influents est établie. / Nowadays, the demand of productivity in the industrial world of robotics require robots to behave optimally in terms of geometric and dynamic accuracy and response time. Thus, the presence of flexibilities in rotational joints can dynamically limit the position control of manipulators having lighter arms, higher payload-to-weight ratio and doing tasks at high speed. The problem addressed in this work concerns the vibration control of serial robots with flexible joints performing Pick and Place tasks. In this work, we carry out modelling and experimental identification of the geometric and dynamic parameters of a robot with flexible joints. This model is then used in the synthesis of a model-based control law dedicated to manipulators with flexible joints. This strategy reduces vibrations resulting from joints sensitivity during dynamically demanding phases. Simulations on a Scara robot are then conducted to validate the relevance of the proposed control law which integrates joint flexibilities in the form of a feedback loop in the control diagram. To this end, three other control strategies (PD control, control dedicated to rigid structures and control not considering damping) are applied to the same simulator in order to make a comparative analysis. The diagram of the model-based control law allows to respect the set point with a reduction in the stabilization time.Finally, the calculation of the servo error allowed us to see the influence of flexibility modeling errors on the accuracy of the task. In this context, the sensitivity of this control law is evaluated through a sensitivity analysis.