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. / In this thesis, we develop synchronization methods of chaotic systems for information transmission applications. The first proposed method is based on adaptive unknown input observers for a class of chaotic systems subject to parametric uncertainties and perturbations in their dynamics and noise in outputs signals (Channel communication noise). The developed method is based on adaptive techniques to compensate nonlinearities to compensate nonlinearities and parametric uncertainties and to reconstruct the transmitted messages. Furthermore, this approach is based on unknown input observers design to reject the influence of perturbations and noise. Then, we develop a second synchronization method using an adaptive ``sliding mode” observer for a class of chaotic systems subject to unknown inputs and such that the output equations are subject to noise. The observer design is based on sliding modes theory, descriptor observers design and adaptive control in order to join state and unknown input estimation despite the presence of noise in output equations. The latter synchronization approach is then exploited in a new secured communication scheme where the objective is to increase the number and amplitude of the transmitted messages, improve the level of security and the robustness to noise present in the communication channel. Moreover, the case of presence of transmission time-delays was investigated and a synchronization approach based on adaptive observers for a class of Lur’e systems with slope restricted nonlinearities and delayed outputs. Based on the Lyapunov-Krasovskii theory and using a persistency of excitation property, the proposed adaptive observer ensures master-slave synchronization and the reconstruction of the transmitted messages despite the existence of transmission time-delays. The obtained theoretical results in this thesis are verified through transmission information applications using different models of chaotic systems in different scenarios and case-studies which may occur in practice. Cryptanalysis and security aspects of the proposed communication systems are also investigated.

Nombreux sont les problèmes classiquement rencontrés dans les sciences de l'ingénieur dont la résolution fait appel à l'estimation d'état d'un système par le biais d'un observateur. La synthèse d'un observateur n'est envisageable qu'à la condition de disposer d'un modèle à la fois exploitable et représentatif du comportement dynamique du système. Or, la modélisation du système et la synthèse de l'observateur deviennent des tâches difficiles à accomplir dès lors que le comportement dynamique du système doit être représenté par un modèle de nature non linéaire. Face à ces difficultés, l'approche multimodèle peut être mise à profit. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur les problèmes soulevés par l'identification, l'estimation d'état et le diagnostic de systèmes non linéaires représentés à l'aide d'un multimodèle découplé. Ce dernier, composé de sous-modèles qui peuvent être de dimensions différentes, est doté d'un haut degré de généralité et de flexibilité et s'adapte particulièrement bien à la modélisation des systèmes complexes à structure variable. Cette caractéristique le démarque des approches multimodèles plus conventionnelles qui ont recours à des sous-modèles de même dimension. Après une brève introduction à l'approche multimodèle, le problème de l'estimation paramétrique du multimodèle découplé est abordé. Puis sont présentés des algorithmes de synthèse d'observateurs d'état robustes vis-à-vis des perturbations, des incertitudes paramétriques et des entrées inconnues affectant le système. Ces algorithmes sont élaborés à partir de trois types d'observateurs dits à gain proportionnel, à gain proportionnel-intégral et à gain multi-intégral. Enfin, les différentes phases d'identification, de synthèse d'observateurs et de génération d'indicateurs de défauts sont illustrées au moyen d'un exemple académique de diagnostic du fonctionnement d'un bioréacteur / The state estimation of a system, with the help of an observer, is largely used in many practical situations in order to cope with many classic problems arising in control engineering. The observer design needs an exploitable model able to give an accurate description of the dynamic behaviour of the system. However, system modelling and observer design can not easily be accomplished when the dynamic behaviour of the system must be described by non linear models. The multiple model approach can be used to tackle these difficulties. This thesis deals with black box modelling, state estimation and fault diagnosis of nonlinear systems represented by a decoupled multiple model. This kind of multiple model provides a high degree of generality and flexibility in the modelling stage. Indeed, the decoupled multiple model is composed of submodels which dimensions can be different. Thus, this feature is a significant difference between the decoupled multiple model and the classical used multiple model where all the submodels have the same dimension. After a brief introduction to the multiple model approach, the parametric identification problem of a decoupled multiple model is explored. Algorithms for robust observers synthesis with respect to perturbations, modelling uncertainties and unknown inputs are afterwards presented. These algorithms are based on three kinds of observers called proportional, proportional-integral and multiple-integral. Lastly, identification, observers synthesis and fault sensitivity signals generation are illustrated via a simulation example of a bioreactor

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 observateursproportionnels, 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 affectant 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 H8 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 estproposée en exploitant les observateurs PI et PMI / This thesis deals with state estimation, fault diagnosis and fault tolerant control of nonlinear systems represented by a Takagi-Sugeno model with unmeasurable premise variables. The problem of state estimation of nonlinear systems with T-S model with unmeasurable premise variable is explored. Algorithms for robust observers synthesis with respect to perturbations, modeling uncertainties and unknown inputs are afterward presented. These algorithms are based on four kinds of observers called proportional, unknown input observers (UIOs), proportional-integral (PI) and multiple-integral (PMI) . The application on model-based diagnosis is studied based on three strategies. The first one uses unknown input observer to decouple some faults and makes the observers insensitive to certain faults. This allows to detect and isolate faults by constructing observers banks. Due to strong structural conditions on designing UIOs decoupling the faults on the state estimation error is not possible. To avoid this problem, the second strategy uses PI and PMI observers in order to estimate simultaneously the state and the faults of the system. The third strategy uses the H8 formalism. This aims to minimize the influence of perturbations and to maximize the effects of faults on the residual signal. An adequate choice of the residual generator parameters allows to detect, to isolate and to estimate the faults affecting the system. Lastly, a fault tolerant control law is proposed by reference trajectory tracking based on the use of PI and PMI observers

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse porte sur la synthèse d'observateurs pour des classes de systèmes non linéaires à savoir les observateurs classiques utilisés pour l'estimation de l'état, les observateurs à entrées inconnues ou encore les observateurs adaptatifs. Nous proposons, dans une partie, une forme canonique d'observabilité non triangulaire caractérisant une large classe de systèmes multi-sorties observables pour toute entrée. Un observateur de type grand gain est proposé. La convergence exponentielle de l'observateur proposé est détaillée et la validation en simulation est illustrée à travers des exemples. Ensuite, nous traitons la synthèse d'observateurs à entrées inconnues. Une classe de systèmes comportant des entrées inconnues est présentée. L'observateur proposé permet d'estimer conjointement tous les états du système ainsi que toutes les entrées inconnues. La synthèse de cet observateur est vérifiée sous certaines conditions suffisantes inspirées de celles adoptées en l'absence des entrées inconnues. En effet, des simulations numériques montrent bien la convergence de l'observateur. Enfin, un observateur adaptatif est proposé pour la forme canonique non triangulaire introduite en début du mémoire. La convergence exponentielle de l'observateur proposé est établie sous une certaine condition d'excitation persistante qui a été donnée. Les performances de cet observateur sont illustrées en simulation à travers un exemple académique.

Dans ce travail, nous proposons deux nouvelles approches ensemblistes pourl’estimation d’état basées sur la caractérisation explicite des bornes d’erreur d’estimation. Ces approches peuvent être vues comme la combinaison entre un observateur ponctuel et une caractérisation ensembliste de l’erreur d’estimation. L’objectif est de réduire la complexité de leur implémentation, de réduire le temps de calcul en temps réel et d’améliorer la précision et des encadrements des vecteurs d’état.La première approche propose un observateur ensembliste basé sur des ensembles invariants ellipsoïdaux pour des systèmes linéaires à temps-discret et aussi des systèmes à paramètres variables. L’approche proposée fournit un intervalle d’état déterministe qui est construit comme une somme entre le vecteur état estimé du système et les bornes de l’erreur d’estimation. L’avantage de cette approche est qu’elle ne nécessite pas la propagation des ensemble d’état dans le temps.La deuxième approche est une version intervalle de l’observateur d’état de Luenberger, pour les systèmes linéaires incertains à temps-discret, basés sur le calcul d’intervalle et les ensembles invariants. Ici, le problème d’estimation ensembliste est considéré comme un problème d’estimation d’état ponctuel couplé à une caractérisation intervalle de l’erreur d’estimation. / In This work, we propose two main new approaches for the set-membershipstate estimation problem based on explicit characterization of the estimation error bounds. These approaches can be seen as a combination between a punctual observer and a setmembership characterization of the observation error. The objective is to reduce the complexity of the on-line implimentation, reduce the on-line computation time and improve the accuracy of the estimated state enclosure.The first approach is a set-membership observer based on ellipsoidal invariant sets for linear discrete-time systems and also for Linear Parameter Varying systems. The proposed approach provides a deterministic state interval that is build as the sum of the estimated system states and its corresponding estimation error bounds. The important feature of the proposed approach is that does not require propagation of sets.The second approach is an interval version of the Luenberger state observer for uncertain discrete-time linear systems based on interval and invariant set computation. The setmembership state estimation problem is considered as a punctual state estimation issue coupled with an interval characterization of the estimation error.

La cryo-microscopie électronique est une technique tomographique permettant de reconstituer la structure 3D d’un objet complexe en biologie à partir d’un jeu d’acquisitions. Ces images de l’objet complexe sont appelées les projections et sont acquises sous orientations inconnues. Un des avantages de la cryo-microscopie électronique est l’obtention d’un modèle 3D de très haute résolution de l’objet dans un état naturel. La procédure de reconstruction comporte plusieurs étapes telles que l’alignement, la classification des projections, l’estimation de leurs orientations et le raffinement des projections. Lors de ces étapes, la distance entre deux projections est fréquemment mesurée. Le travail réalisé au cours de cette thèse s’organise autour de la recherche théorique d’une distance entre des projections non-orientées avec comme objectif l’amélioration de la procédure de reconstruction tomographique en cryo-microscopie électronique. La contribution de ce travail de thèse est une méthode permettant d’estimer la différence angulaire entre deux projections dans les cas 2D et 3D. Notre méthode est basée sur la construction d’un graphe de voisinage dont les sommets sont les projections, dont les arêtes relient des projections voisines et sont pondérées par une approximation locale de la différence angulaire. Le calcul de ces poids repose sur les propriétés des moments de projection. Notre méthode est testée sur des images simulées de différentes résolutions et de différents niveaux du bruit. La comparaison avec des autres méthodes d’estimation de la différence angulaire est aussi réalisée. / Cryo-electron microscopy is a tomographic technique allowing to reconstruct a 3D model of complex structure in biology from a set of acquired images. These images are known as the tomographic projections and are taken at unknown directions. The advantage of the cryo-electron microscopy is the 3D reconstruction at very high resolution. The reconstruction procedure consists of many steps such as projection alignment, projection classification, orientation estimation and projection refinement. During these steps, the distance between two projections is frequently measured. The work in this thesis aims at studying the distances mesured between two unknown-direction projections with the objective of improving the reconstruction result in the cryo-electron microscopy. The contribution of this thesis is the developement of a method for estimating the angular difference between two projections in 2D and 3D. Our method is based on the construction of a neighborhood graph whose vertices are the projections, whose edges link the projection neighbors and are weighted by a local approximation of the angular difference. The calculation of the weights relies on the projection moment properties. The proposed method has been tested on simulated images with different resolutions and at different noise levels. The comparison with others estimation methods of angular difference has been realised.

De nos jours, les processus industriels se doivent d’être efficaces, en particulier au niveau de leur production et/ou consommation énergétique.Ce travail vise à améliorer l’efficacité des processus en analysant l’influence des perturbations sur leur comportement, de la phase de conception à la synthèse des contrôleurs/observateurs, ceci dans une approche intégrée.Le problème du Rejet de Perturbation est introduit ainsi que différents types de contrôles permettant d’atténuer et/ou rejeter ces perturbations. Le système de Barre de Torsion est présenté. Une loi de commande basée sur le concept d’état dérivé est présentée et ensuite validée avec comme application le rejet de perturbation. Il est nécessaire d’estimer les grandeurs physiques utilisées dans les différentes expressions de loi de commande. Un observateur à entrées inconnues basé sur la représentation bond graph est rappelé et ensuite étendu au cas multi-variable. C’est la première contribution théorique de ce travail de recherche.Nous comparons ensuite l’efficacité de différentes techniques de commandes pour le rejet de perturbation par simulation sur le système barre de torsion et analysons ainsi l’efficacité de la technique proposée. Une extension théorique au problème du découplage entrée-sortie nous permet de généraliser le problème du rejet de perturbation dans une même démarche intégrée d’analyse et de synthèse. Enfin, ces techniques sont exploitées et analysées sur le système réel. Nous validons ainsi expérimentalement nos résultats.Un modèle très simplifié de centrale hydroélectrique est développé afin d’appliquer les résultats de nos travaux. Un modèle bond graph simplifié est validé par simulation. / Nowadays, industrial processes must be efficient, particularly at the production level and/or energy consumption.This research work aims at improving the process efficiency by analysing the influences of disturbances on their behaviour, from the conception phase to the synthesis of controller/observer, in an integrated approach.The disturbance rejection problem is first introduced as well as different control laws allowing attenuate/reject these disturbances. A control law based on the concept of derivative state variable is presented and validated while applied as disturbance rejection.In order to reject the disturbance, different physical variables must be estimated, such as state variables, derivative state variables as disturbance variables. An unknown input observer based on the bond graph representation is recalled and extended in the multivariable case. It is the first theoretical contribution of this work.We thus compare the efficiency of different so-called «modern control laws» for the disturbance rejection problems by simulation with the Torsion-Bar system example. We analyse the efficiency of our approach. One extension to the Input-Output decoupling problem allows us to extend the disturbance rejection problem to other control law type in an integrated approach. At least, these techniques are applied on the real Torsion-Bar system and compared. We validate our approach.Since this work aims at analysing and developing efficient control laws for industrial processes, a simplified model of a hydroelectric plant is developed, in order to apply our results. A simplified bond graph model is validated with simulations.

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. / The phenomenon of fouling in heat exchangers is currently an important topic. Indeed, the fouling is a costly issue that increases the energy loss (directly or indirectly through an over-sizing of the equipment), and therefore increases the water consumption. As a side effect, fouling increases CO² consumption that leads to environmental consequences. Fouling can be detected either on local scale, using expensive and specific sensors or on global scale. Global estimation of fouling can be done by measuring the variation of the mass of the exchanger, or by estimating the efficiency of the exchanger through the transfer coefficient. These two methods require very restricting conditions: a powered exchanger to measure mass variation and a steady state exchanger to estimate the efficiency. The work introduced in this thesis deals with the development of non-linear observers that detect fouling early enough to start an efficient cleaning process. As a beginning, a finite element model of a counter current tubular exchanger was proposed. Then three approaches, based on non-linear Takagi-Sugeno observers, were suggested to detect early fouling in heat exchangers. First approach consisted in a set of observers that estimated the parameters of fouling effect through an interpolation method. The second approach proposed a polynomial Takagi-Sugeno observer, using the theory of sums of squares. Finally, a observer of Takagi-Sugeno type with unknown inputs was developed. As a conclusion, a comparison between those different methods was done.

Les personnes vivant avec une lésion de la moelle épinière (LMÉ) subissent une réduction drastique de leurs capacités sensori-motrices en dessous du niveau de la lésion. Cette pathologie influence négativement leur contrôle postural, vu comme le résultat de contributions actives, passives et neuronales. Une approche par modèle est choisie afin de représenter ces différentes contributions et mieux comprendre le contrôle postural en position assise. Deux problèmes apparaissent. Tout d’abord les modèles existants de la position assise sont très rares et inapplicables à l’étude des personnes vivant avec une LMÉ qui, dans l’absence de contrôle musculaire au niveau du tronc, vont utiliser leurs membres supérieurs pour s’équilibrer. De plus, les équations non linéaires sous forme descripteur des modèles biomécaniques existant sont linéarisées dans la majorité des cas afin de simplifier les équations obtenues ce qui n’est plus valable dans le cas de mouvements de grande amplitude. Or des travaux récents fournissent des outils pour analyser ces modèles en utilisant le formalisme de Takagi-Sugeno issu de la logique floue. Ce travail est focalisé sur l’étude du contrôle postural des personnes vivant avec une LMÉ par des outils de l’automatique non linéaire, trois objectifs sont définis : 1. Proposer des modèles biomécaniques non linéaires de la stabilité en position assise pour les personnes vivant avec une LMÉ. 2. Utiliser des méthodes d’écriture de modèle du domaine de l’automatique non linéaire afin de créer les outils nécessaires à l’estimation des variables internes (non mesurées) au modèle. 3. Améliorer la connaissance de la stabilité chez les personnes vivant avec une LMÉ par l’estimation expérimentale d’efforts internes en fonction de paramètres personnels et des conditions expérimentales. Les modèles créés dans ce manuscrit sont, à notre connaissance, les premiers à représenter la stabilité assise en considérant le déplacement des membres supérieurs. Il s’agit également des premiers modèles biomécaniques à utiliser les avancées récentes de l’automatique non linéaire pour l’estimation d’efforts internes non mesurables. / The ability to maintain stability in an unsupported sitting position often becomes challenging after an individuals is affected by a spinal cord injury (SCI). In order to better understand sitting postural control as a combination of active, passive and neuronal contribution, a modelling approach is chosen. Two problems arise; first of all, existing models of sitting control are very scarse and inapplicable to people living with a SCI who will use their upper in a compensatory strategy to balance their trunk. Moreover, the majority of biomechanical models nonlinear equations are linearized with small angle hypothesis for an easier processing which is not acceptable when movements become large. Recent advances in nonlinear control theory provide the theoretical tools for the creation of nonlinear observers using the Takagi-Sugeno fuzzy formalism. This work aims at the study of postural control for people living with a SCI by use of nonlinear tools from control theory; three main goals are formulated: 1. Creating new nonlinear biomechanical models aiming at the study of sitting stability of people living with SCI. 2. Using tools coming from nonlinear control theory to estimate model unmeasured variable 3. Improve the current knowledge on stability for people living with a SCI by estimating internal efforts depending on personal parameters in experimental conditions. The models created in this manuscript are, to the best of our knowledge, the first to consider the upper limbs displacement for the control of sitting stability and the first biomechanical models to use the recent advances in nonlinear control theory for the estimation of unmeasured variables.

Cette thèse porte sur une méthode cartésienne parallèle pour résoudre des problèmes elliptiques avec interfaces complexes et sur son application aux problèmes elliptiques en domaine irrégulier dans le cadre d'un modèle de croissance tumorale. La méthode est basée sur un schéma aux différences fi nies et sa précision est d'ordre deux sur tout le domaine. L'originalité de la méthode consiste en l'utilisation d'inconnues additionnelles situées sur l'interface et qui permettent d'exprimer les conditions de transmission à l'interface. La méthode est décrite et les détails sur la parallélisation, réalisée avec la bibliothèque PETSc, sont donnés. La méthode est validée et les résultats sont comparés avec ceux d'autres méthodes du même type disponibles dans la littérature. Une étude numérique de la méthode parallélisée est fournie. La méthode est appliquée aux problèmes elliptiques dans un domaine irrégulier apparaissant dans un modèle continue et tridimensionnel de croissance tumorale, le modèle à deux espèces du type Darcy . L'approche utilisée dans cette application est basée sur la pénalisation des conditions de transmission a l'interface, afin de imposer des conditions de Neumann homogènes sur le bord d'un domaine irrégulier. Les simulations du modèle sont fournies et montrent la capacité de la méthode à imposer une bonne approximation de conditions au bord considérées.