Cette thèse fait appel à la commande non linéaire inverse pour faire la synthèse de lois de commande permettant de faire face à deux types de pannes à bord des avions de transport.Il s’agit d’abord de pannes affectant certains actionneurs mais qui ne mettent pas en cause la commandabilité globale de l’avion: cette situation se présentera notamment dans le cas d’une panne isolée dont les effets peuvent être théoriquement compensés compte tenu de la redondance relative de certains actionneurs du point de vue de leurs effets sur la dynamique du vol de l’aéronef. Le problème qui se pose alors est celui de la réaffectation des surfaces de commande de l’avion de façon à maintenir pour celui-ci, lorsque c’est possible, un comportement standard aussi bien en situation d’équilibre qu’en manœuvre. Le cas de panne de ce type considéré dans cette thèse est celui d’un aileron et il s’agira, notamment au cours d’une manœuvre de mise en roulis d’assurer une réponse standard de l’avion. A ce niveau, la recherche de la solution de ce problème nous conduira à allier la commande non linéaire inverse à des techniques classiques de la Programmation Mathématique sollicitées en ligne de façon à tenir compte de toutes les contraintes matérielles et structurales à prendre en compte pour assurer la sécurité de l’avion. Il s’agit d’autre part des pannes affectant l’ensemble d’une chaîne de commande et conduisant à des situations catastrophiques où l’avion n’est plus globalement commandable au sens classique du terme et nécessitant l’interruption immédiate du vol commercial pour rechercher une solution de survie pour les personnes à bord de l’appareil au travers d’un atterrissage d’urgence. Dans cette thèse on considère le cas d’une perte totale de puissance pour les chaînes de commande des gouvernes et on développe une stratégie de retour basée sur une succession de phases de vol auxquelles seront associés des objectifs de commande limités en fonction des possibilités offertes par les seuls actionneurs principaux restants, les moteurs. La aussi, la commande non linéaire inverse jouera un rôle important pour faire la synthèse des éléments de lois de commande permettant d’effectuer les manœuvres essentielles pour mettre l’avion en conditions acceptable d’atterrissage / This thesis uses the nonlinear inverse control technique to synthesize control laws for dealing with two types of failures aboard transport airplanes. The first type of failure affects some actuators without compromising the overall controllability of the airplane: this situation arises particularly in the case of an isolated fault whose effects can theoretically be compensated taking into account the redundancy of actuators in terms of their effects on the dynamics of flight. The problem that arises is the reallocation of control surfaces to maintain for it, when possible, a standard behaviour in both equilibrium and makeover situations. The case of an aileron failure is studied here and a roll manoeuvre is considered for standard response of the aircraft. At this level, looking for the solution of this problem will lead us to combine the nonlinear inverse control technique and classical Mathematical Programming solicited online in order to take account of all material and structural constraints to be taken into account to ensure safety of the aircraft. The second considered type of failure affects an entire chain of command, leading to catastrophic situations where the aircraft is no more controllable in the classical sense and requires the immediate interruption of commercial flight to find a solution for the survival of people on board the aircraft through an emergency landing. In this thesis we consider the case of total loss of power for aerodynamic actuators and we develop a flight safety strategy based on a sequence of flight phases to which are associated limited control objectives based on the few opportunities from the only remaining actuators, the aircraft engines. Here too, the nonlinear inverse control technique plays an important role in the synthesis of control laws essential to put the airplane inacceptable conditions for landing

L'objectif de cette thèse est d'optimiser l'utilisation d'actionneurs redondants pour un avion de transport lorsqu’une défaillance des actionneurs arrive en vol. La tolérance aux pannes résulte ici de la redondance des actionneurs présents sur l’avion. Différents concepts et méthodes classiques liés aux chaînes de commande de vol tolérantes aux pannes sont d'abord examinés et de nouveaux concepts utiles pour l'analyse requise sont introduits. Le problème qui est abordé ici est de développer une méthode de gestion des pannes des commandes de vol dans le cas d'une défaillance partielle des actionneurs, qui va permettre à l'avion de poursuivre en toute sécurité la manœuvre prévue. Une approche de commande en deux étapes est proposée et appliquée à la fois à l'évaluation de la manoeuvrabilité restante et à la conception de structures de commande tolérante aux pannes. Dans le premier cas, une méthode d'évaluation hors ligne des qualités de vol basée sur la commande prédictive est proposée. Dans le second cas, une structure de commande tolérante aux pannes basée sur la commande non linéaire inverse et la réaffectation des actionneurs en ligne est développée. Dans les deux cas, un problème de programmation linéaire quadratique (LQ) est formulé. Différents cas de pannes sont considérés lorsqu'un avion effectue une manoeuvre classique. Trois solveurs numériques sont appliqués aux solutions en ligne et hors ligne des problèmes LQ qui en résultent. / The objective of this thesis is to optimize the use of redundant actuators for a transportation aircraft once some actuators failure occurs during the flight. Here, the fault tolerant ability resulting from the redundant actuators is mainly considered. Different classical concepts and methods related to a fault tolerant flight control channel are first reviewed and new concepts useful for the required analysis are introduced. The problem which is tackled here is to develop a design methodology for fault tolerant flight control in the case of a partial actuator failure which will allow the aircraft to continue safely the intended maneuver. A two stages control approach is proposed and applied to both the remaining maneuverability evaluation and a fault tolerant control structure design. In the first case, an offline handling qualities assessment method based on Model Predictive Control is proposed. In the second case, a fault tolerant control structure based on Nonlinear Inverse Control and online actuator reassignment is developed. In both cases, a Linear Quadratic (LQ) programming problem is formulated and different failure cases are considered when an aircraft performs a classical maneuver. Three numerical solvers are studied and applied to the offline and online solutions of the resulting LQ problems.

L'objectif de cette thèse est d'optimiser l'utilisation d'actionneurs redondants pour un avion de transport lorsqu'une défaillance des actionneurs arrive en vol. La tolérance aux pannes résulte ici de la redondance des actionneurs présents sur l'avion. Différents concepts et méthodes classiques liés aux chaînes de commande de vol tolérantes aux pannes sont d'abord examinés et de nouveaux concepts utiles pour l'analyse requise sont introduits. Le problème qui est abordé ici est de développer une méthode de gestion des pannes des commandes de vol dans le cas d'une défaillance partielle des actionneurs, qui va permettre à l'avion de poursuivre en toute sécurité la manœuvre prévue. Une approche de commande en deux étapes est proposée et appliquée à la fois à l'évaluation de la manœuvrabilité restante et à la conception de structures de commande tolérante aux pannes. Dans le premier cas, une méthode d'évaluation hors ligne des qualités de vol basée sur la commande prédictive est proposée. Dans le second cas, une structure de commande tolérante aux pannes basée sur la commande non linéaire inverse et la réaffectation des actionneurs en ligne est développée. Dans les deux cas, un problème de programmation linéaire quadratique (LQ) est formulé. Différents cas de pannes sont considérés lorsqu'un avion effectue une manœuvre classique. Trois solveurs numériques sont appliqués aux solutions en ligne et hors ligne des problèmes LQ qui en résultent.