Cette thèse traite le problème de l'estimation d'état, du diagnostic et de commande tolérante aux défauts des systèmes non linéaires représentés par un modèle de Takagi-Sugeno (T-S) à variables de prémisse non mesurables. De nombreux algorithmes pour la synthèse d'observateurs robustes vis-à-vis des perturbations, des imperfections de modélisation et des entrées inconnues sont présentés en se basant sur quatre types d'observateurs : les observateurs proportionnels, les observateurs à entrées inconnues, les observateurs proportionnel intégral (PI) et multi-intégral (PMI). Par la suite, ces derniers sont utilisés pour le diagnostic de fautes des systèmes non linéaires. Ceci est réalisé au moyen de trois stratégies. La première utilise l'observateur à entrée inconnue par découplage afin de rendre l'observateur insensible à certains défauts et permettre de détecter et d'isoler les défauts en construisant des bancs d'observateurs. En raison des conditions structurelles souvent insatisfaites, le découplage total des défauts de l'erreur d'estimation d'état n'est pas réalisable. Afin de s'affranchir de ces contraintes, la seconde stratégie utilise les observateurs PI et PMI pour estimer simultanément l'état et les défauts du système. La troisième stratégie qui utilise le formalisme H_inf vise à concevoir un générateur de résidus minimisant l'influence des perturbations et maximisant l'influence des défauts. Un choix adéquat des paramètres du générateur de résidus permet la détection, la localisation et l'estimation des défauts. Enfin, une loi de commande tolérante aux défauts par poursuite de trajectoire d'un modèle de référence est proposée en exploitant les observateurs PI et PMI.

Cette thèse traite de la synthèse de méthodes de diagnostic et de lois de commandes actives tolérantes aux défauts pour des systèmes décrits par des multi-modèles. La synthèse d'un filtre adaptatif permet de générer un résidu sensible utilisé à des fins de détection et d'estimation de défauts. La stabilité est analysé au moyen d'Inégalités Matricielles Linéaires (LMI). La seconde approche traite de la conception d'Observateurs polytopiques à entrées inconnues (UIO) permettant de rejeter des informations indésirables telles les erreurs de modélisation. L'analyse de la stabilité et le placement de pôles de ces observateurs sont essentiellement basés sur l'analyse convexe par LMI. Des lois de commande actives tolérantes aux défauts sont synthétisées par retour d'état et de sortie. Le cas de défaillance d'actionneurs y est abordé en reconfigurant le régulateur tout en préservant la stabilité du système en BF.

Le phénomène d'encrassement dans les échangeurs thermiques est actuellement un sujet important. En effet l'encrassement est un phénomène couteux qui provoque (directement ou indirectement via un surdimensionnement des installations) une augmentation des pertes énergétiques, une hausse de la consommation d'eau. Par effet lié, l'encrassement a un impact environnemental non négligeable dû principalement à une augmentation de l'émission de dioxyde de carbone. La détection de l'encrassement peut se faire de manière très ponctuelle en utilisant des capteurs spécifiques et coûteux ou, globalement, soit en mesurant la variation de masse de l'échangeur, soit en évaluant l'efficacité de l'échangeur à travers le coefficient de transfert - ces deux dernières méthodes exigeant des conditions de fonctionnement très particulières : l'arrêt pour la première et un fonctionnement en régime permanent pour la seconde. Les travaux présentés dans cette thèse consistent au développement d'observateurs non linéaires qui permettent de détecter l'encrassement suffisamment tôt pour mettre en place un système d'entretien efficace. Pour cela, un modèle de dimension finie d'un échangeur tubulaire à contre courant a été défini en début de thèse. Trois solutions basées sur le développement d'observateurs non linéaires de type Takagi-Sugeno appliqués au problème de détection d'encrassement dans les échangeurs thermiques sont proposées. La première consiste en une batterie d'observateurs qui estime les paramètres d'encrassement par une méthode d'interpolation. La deuxième propose un observateur polynomial de type Takagi-Sugeno en utilisant la théorie des sommes de carrés. Enfin, un observateur de type Takagi-Sugeno à entrées inconnues est développé. Une comparaison entre ces différentes méthodes est effectuée en conclusion cette thèse.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Dans ce travail de thèse, nous développons des méthodes de synchronisation des systèmes chaotiques pour les applications de transmission d'informations. La première méthode de synchronisation que nous proposons est basée sur les observateurs adaptatifs à entrées inconnues pour une classe des systèmes chaotiques présentant des incertitudes paramétriques et des perturbations dans leurs dynamiques et du bruit dans les signaux de sortie (bruit dans le canal de communication). La méthode développée repose sur les techniques adaptatives pour la compensation des non-linéarités et des incertitudes paramétriques et pour la restauration des messages transmis. Elle se base également sur les méthodes de synthèse d'observateurs à entrées inconnues pour supprimer l'influence des perturbations et du bruit. Ensuite, nous développons une deuxième méthode de synchronisation utilisant un observateur adaptatif à ''modes glissants" pour une classe des systèmes chaotiques présentant des entrées inconnues et dont les signaux de sortie sont bruités. La synthèse de l'observateur s'appuie sur la théorie des modes glissants, les techniques de synthèse d'observateurs singuliers et les techniques adaptatives dans le but d'estimer conjointement l'état et les entrées inconnues malgré la présence du bruit dans les équations de sortie. Cette approche de synchronisation est ensuite employée dans un nouveau schéma de communication chaotique sécurisée dont l'objectif est d'augmenter le nombre et l'amplitude des messages transmis, améliorer le niveau de sécurité ainsi que la robustesse aux bruits présents dans le canal de communication. En outre, le scénario de présence des retards de transmission est étudié en élaborant une troisième approche de synchronisation à base d'observateurs adaptatifs pour une classe des systèmes chaotiques de Lur'e avec des non-linéarités à pente restreinte et des signaux de sortie retardés. En se basant sur la théorie de Lyapunov-Krasovskii et en utilisant une hypothèse d'excitation persistante, l'observateur adaptatif proposé garantit la synchronisation maitre-esclave et la restauration des informations transmises malgré l'existence des retards de transmission. Les résultats théoriques obtenus dans ce travail de thèse sont vérifiés à travers des applications de transmission d'informations utilisant différents modèles des systèmes chaotiques tout en étudiant les différents scénarios et cas de figure pouvant se présenter en pratique et en analysant les aspects de sécurité de ces systèmes.

Les systèmes actifs d'aide à la conduite des véhicules automobiles ont besoin d'informations sur l'état du véhicule pour construire des stratégies de contrôle efficaces. L'objectif de cette thèse est de développer des observateurs à entrées inconnues qui permettent d'estimer différentes variables liées à l'état du véhicule et de son environnement. Après avoir présenté différentes modélisations du véhicule, différents observateurs d'état à entrées inconnues de systèmes linéaires et non linéaires sont exposés afin d'estimer des variables explicatives de la dynamique du véhicule.

Cette thèse porte sur la conception d’une classe particulière d’estimateurs d'état, les observateurs intervalles. L’objectif est d’estimer de manière garantie, les bornes supérieure et inférieure de l’ensemble admissible de l'état d’un système, à chaque instant de temps. L’approche considérée repose sur la connaissance a priori du domaine d’appartenance, supposé borné, des incertitudes du système (incertitudes de modélisation, perturbations, bruits, etc). Une classe d'observateurs intervalles à entrées inconnues est proposée pour la classe des systèmes Linéaires à Paramètres Variants (LPV). La synthèse des paramètres de l’observateur repose sur la résolution d’un problème d’optimisation sous contraintes de type inégalités matricielles linéaires (LMI) permettant de garantir simultanément les conditions d’existence de l’observateur ainsi qu’un niveau de performance, soit dans un contexte énergie, soit dans un contexte amplitude ou soit dans un contexte mixte énergie/amplitude. Plus particulièrement, la performance de l'observateur repose sur une technique de découplage pour annuler les effets des entrées inconnues et une technique d’optimisation destinée à minimiser, au sens de critères de type gain L2et/ou gain L∞, les effets des perturbations sur la largeur totale de l’enveloppe de l'état du système LPV. La méthodologie de synthèse proposée est illustrée sur un exemple académique. Enfin, la méthodologie est appliquée au cas de la phase d’atterrissage du véhicule spatial HL20, sous des conditions de simulations réalistes. / This thesis addresses the design of a class of estimator, named interval obser-ver, which evaluates in a guaranteed way, a set for the state of the system at each instant of time. The proposed approach is based on a priori knowledge of bounded sets for the system uncertainties (modeling uncertainties, disturbances, noise, etc.). A methodology to design an interval observer is proposed for the class of Linear Parameter Varying (LPV) Systems. The feasibility of the latter is based on the resolution of linear Matrix Inequalities (LMI) constraints allowing to simultaneously get the existence conditions of the intervalobserver and a certain level of a priori given performance for the state estimation of the system. Specifically, the performance of the estimates is based on a decoupling technique to avoid the effects of unknown inputs and an optimization technique to minimize, in the L2 and/or L∞ gain sense, the effects of disturbances on the estimated interval length for the state of the LPV system. The design methodology is illustrated on academic examples.Finally, the methodology is applied on the landing phase of the HL20 shuttle.

La tendance actuelle est d’intégrer des modules de puissance de plus en plus puissants dans des volumes de plus en plus réduits. Cela pose des problèmes, notamment en termes de fiabilité, car lors de leurs cycles de fonctionnement, les interrupteurs à semi-conducteurs et leur environnement immédiat sont soumis à des contraintes électro-thermiques plus sévères. L’augmentation de la fiabilité des modules de puissance passe par la connaissance précise de la température locale, même si elle ne peut être mesurée en certains points qui seraient pertinents. L’objectif principal de cette thèse est de reconstruire des grandeurs non accessibles à la mesure en utilisant des observateurs de fonctionnelle linéaire, qui permettent d’estimer la température en n’importe quel endroit à l’aide des mesures fournies à partir de capteurs thermiques situés en quelques points précis. L’utilisation de cet observateur permet de réduire la dimension du problème considéré. Dans le contexte multi-physique, nous avons développé des méthodologies et des algorithmes permettant la surveillance du comportement électro-thermique des modules d’électronique de puissance. De façon à obtenir des algorithmes d’observation, qui pourraient être mis en oeuvre sur une cible embarquée en temps réel comme un processeur de signaux numériques, nous avons proposé la conception d’un observateur de fonctionnelle linéaire en temps discret de taille réduite. En conséquence, il est nécessaire d’en réduire la taille par rapport au système initial issu du modèle, afin de limiter la complexité du calcul. L’originalité de ces travaux consiste à proposer des méthodes de conception simples des observateurs de fonctionnelle linéaire d’ordre minimal pour des systèmes complexes de grande taille. Notons que dans le cas d’un module d’électronique de puissance, certaines entrées peuvent être mal connues telles que la puissance thermique extraite par le système de refroidissement, ou celle injectée par les éléments annexes du module comme les pistes ou les fils de bonding. Ainsi, une attention toute particulière a été donnée aux observateurs de fonctionnelle linéaire à entrées inconnues. Un observateur de fonctionnelle linéaire à entrées inconnues permet de s’affranchir de cette méconnaissance en traitant ces entrées comme des perturbations non mesurées. Notons que nous avons choisi de présenter des résultats expérimentaux afin d’indiquer la faisabilité pratique des méthodes présentées. / The current trend of integrating powerful power modules into increasingly smaller volumes. This volume leads to new problems, especially in terms of reliability : Indeed, during their operating cycles, the semiconductor switches and their surrounding environment become subject to harshful electrothermal stresses. Thus, increase of reliability of power modules induces the precise knowledge of the local temperature, even if it can not be measured at any location. The main objective of this thesis is to estimate a physical variables in a specific non measured location, using linear functional observers allowing to estimate the temperature at any point by means of measurements provided from thermal sensors located at a few precise points. The use of this observer reduce the dimension of the considered problem. In the multi-physics context, methodologies and algorithms have been developed to allow the monitoring of electrothermal behavior power electronics modules. In order to obtain observation algorithms directly, which could be implemented on a real-time embedded target such as a digital signal processor, the application of a linear observer in the discrete time framework is proposed. Consequently, it is necessary to reduce the size compared to the initial system resulting from the model, in order to limit the calculation complexity. The originality of this work consists in proposing simple design methods for minimal order linear functional observers for large complex systems. Special attention has been given to unknown input linear functional observers. Note that in case of a power electronics module, some inputs may be poorly known such as the thermal power extracted by the cooling system, or that injected by the ancillary elements of the module as chips or bonding wire. An unknown input linear functional observer allows to overcome this lack of knowledge by treating these inputs as unknown data. Note that we chose to present experimental results so as to demonstrate the practical feasibility of the proposed methods.

Au cours de la dernière décennie, l’industrie des véhicules aériens sans pilote (UAV) a connu une croissance et une diversification immenses. De nos jours, nous trouvons des applications basées sur les drones dans un large éventail d’industries, telles que les infrastructures, l’agriculture, les transports, etc. Ce phénomène a suscité un intérêt croissant dans le domaine de la manipulation aérienne. La mise en œuvre de manipulateurs aériens dans l'industrie des UAV pourrait générer une augmentation significative du nombre d'applications possibles. Cependant, la restriction de la charge utile disponible est l’un des principaux inconvénients de cette approche. L'impossibilité d'équiper les drones de bras robotiques industriels puissants et habiles a suscité l'intérêt pour le développement de manipulateurs légers adaptés à ces applications. Dans le but de fournir une solution légère alternative aux manipulateurs aériens, cette thèse propose un bras robotique léger actionné par des fils en alliage à mémoire de forme (SMA). Bien que les fils SMA représentent une excellente alternative aux actionneurs conventionnels pour les applications légères, ils impliquent également une dynamique hautement non linéaire, ce qui les rend difficiles à contrôler. Cherchant à présenter une solution pour la tâche difficile de contrôler les fils SMA, ce travail étudie les conséquences et les avantages de la mise en œuvre des techniques de commande par retour d’état. L'objectif final de cette étude est la mise en œuvre expérimentale d'un contrôle à rétroaction d'état pour la régulation de la position du bras robotique léger proposé. Tout d'abord, un modèle mathématique basé sur un modèle physique du comportement des câbles SMA est développé et validé expérimentalement. Ce modèle décrit la dynamique du bras robotique léger proposé du point de vue de la mécatronique. Le bras robotique proposé est testé avec trois contrôleurs de retour de sortie pour le contrôle de position angulaire, à savoir un PID, un mode coulissant et une commande adaptative. Les contrôleurs sont testés dans une simulation MATLAB, puis mis en œuvre et testés expérimentalement selon différents scénarios. Ensuite, afin de réaliser la mise en œuvre expérimentale d’une technique de commande par retour d’état, un observateur d’état, à entrée inconnue, est développé. Premièrement, un modèle observable sans commutation avec une entrée inconnue est dérivé du modèle présenté précédemment. Ce modèle prend comme entrée inconnue le taux de fraction de martensite du modèle d'origine, ce qui permet d'éliminer les termes de commutation dans le modèle. Ensuite, un observateur, à entrées inconnues, basé sur le filtre de Kalman étendu et sur l’observateur à mode glissant est développé. Cet observateur permet l’estimation simultanée de l’état et des entrées inconnues. Les conditions suffisantes de convergence et de stabilité sont établies. L'observateur est testé dans une simulation MATLAB et validé expérimentalement dans différents scénarios. Enfin, une technique de commande par retour d’état est testée en simulation et implémentée de manière expérimentale pour le contrôle de position angulaire du bras robotique léger proposé. Elle est basée sur la résolution d’une équation de Riccati (SDRE). En conclusion, une analyse comparative quantitative et qualitative entre une approche de commande par retour de sortie et la une de commande par retour d’état mis en œuvre est effectuée selon plusieurs scénarios, y compris la régulation de position, le suivi de position et le suivi de charges utiles changeantes. / In the last decade, the industry of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) has gone through immense growth and diversification. Nowadays, we find drone based applications in a wide range of industries, such as infrastructure, agriculture, transport, among others. This phenomenon has generated an increasing interest in the field of aerial manipulation. The implementation of aerial manipulators in the UAV industry could generate a significant increase in possible applications. However, the restriction on available payload is one of the main setbacks of this approach. The impossibility to equip UAVs with heavy dexterous industrial robotic arms has driven the interest in the development of lightweight manipulators suitable for these applications. In the pursuit of providing an alternative lightweight solution for the aerial manipulators, this thesis proposes a lightweight robotic arm actuated by Shape Memory Alloy (SMA) wires. Although SMA wires represent a great alternative to conventional actuators for lightweight applications, they also imply highly nonlinear dynamics, which makes them difficult to control. Seeking to present a solution for the challenging task of controlling SMA wires, this work investigates the implications and advantages of the implementation of state feedback control techniques. The final aim of this study is the experimental implementation of a state feedback control for position regulation of the proposed lightweight robotic arm. Firstly, a mathematical model based on a constitutive model of the SMA wire is developed and experimentally validated. This model describes the dynamics of the proposed lightweight robotic arm from a mechatronics perspective. The proposed robotic arm is tested with three output feedback controllers for angular position control, namely a PID, a Sliding Mode and an Adaptive Controller. The controllers are tested in a MATLAB simulation and finally implemented and experimentally tested in various different scenarios. Following, in order to perform the experimental implementation of a state feedback control technique, a state and unknown input observer is developed. First, a non-switching observable model with unknown input of the proposed robotic arm is derived from the model previously presented. This model takes the martensite fraction rate of the original model as an unknown input, making it possible to eliminate the switching terms in the model. Then, a state and unknown input observer is proposed. This observer is based on the Extended Kalman Filter (EKF) for state estimation and sliding mode approach for unknown input estimation. Sufficient conditions for stability and convergence are established. The observer is tested in a MATLAB simulation and experimentally validated in various different scenarios. Finally, a state feedback control technique is tested in simulation and experimentally implemented for angular position control of the proposed lightweight robotic arm. Specifically, continuous and discrete-time State-Dependent Riccati Equation (SDRE) control laws are derived and implemented. To conclude, a quantitative and qualitative comparative analysis between an output feedback control approach and the implemented state feedback control is carried out under multiple scenarios, including position regulation, position tracking and tracking with changing payloads.

Cette thèse porte sur l'estimation simultanée du coefficient de diffusion et du terme source régissant le modèle de transport de la température dans les plasmas chauds. Ce phénomène physique est décrit par une équation différentielle partielle (EDP) linéaire, parabolique du second-ordre et non-homogène, où le coefficient de diffusion est distribué et le coefficient de réaction est constant. Ce travail peut se présenter en deux parties. Dans la première, le problème d'estimation est traité en dimension finie ("Early lumping approach"). Dans la deuxième partie, le problème d'estimation est traité dans le cadre initial de la dimension infinie ("Late lumping approach"). Pour l'estimation en dimension finie, une fois le modèle établi, la formulation de Galerkin et la méthode d'approximation par projection sont choisies pour convertir l'EDP de transport en un système d'état linéaire, temps-variant et à entrées inconnues. Sur le modèle réduit, deux techniques dédiées à l'estimation des entrées inconnues sont choisies pour résoudre le problème. En dimension infinie, l'estimation en-ligne adaptative est adoptée pour apporter des éléments de réponse aux contraintes et limitations dues à la réduction du modèle. Des résultats de simulations sur des données réelles et simulées sont présentées dans ce mémoire. / This work deals with the diffusion and source term estimation in a heat transport model for tokamaks plasma . This phenomenon is described by a second-order linear parabolic partial differential equation (PDE) with distributed diffusion parameter and input. Both "Early lumping" and "Late lumping" approaches are considered in this thesis. First, once the heat model is chosen, the Galerkin formulation and the parameter projection method are combined to convert the PDE to a set of ordinary differential equations (ODEs). Then, two estimation methods able to give optimal estimates of the inputs are applied on the reduced model to identify simultaneously the source term and the diffusion coefficient. In the infinite dimensional method, the adaptive estimation technique is chosen in order to reconstruct "freely" the unknown parameters without the constraints due to the model reduction method. Simulation results on both simulated and real data are provided to attest the performance of the proposed methodologies.