<p>A model is developed for the Quanser torsion system available at Control Systems Research Laboratory at Chulalongkorn University. The torsion system is a laboratory equipment that is designed for the study of position control. It consists of a DC motor that drives three inertial loads that are coupled in series with the motor, and where all components are coupled to each other through torsional springs.</p><p>Several nonlinearities are observed and the most significant one is an offset in the input signal, which is compensated for. Experiments are carried out under feedback as the system is marginally stable. Different input signals are tested and used for system identification. Linear black-box state-space models are then identified using PEM, N4SID and a subspace method made for closed-loop identification, where the last two are the most successful ones. PEM is used in a second step and successfully enhances the parameter estimates from the other algorithms.</p>

A model is developed for the Quanser torsion system available at Control Systems Research Laboratory at Chulalongkorn University. The torsion system is a laboratory equipment that is designed for the study of position control. It consists of a DC motor that drives three inertial loads that are coupled in series with the motor, and where all components are coupled to each other through torsional springs. Several nonlinearities are observed and the most significant one is an offset in the input signal, which is compensated for. Experiments are carried out under feedback as the system is marginally stable. Different input signals are tested and used for system identification. Linear black-box state-space models are then identified using PEM, N4SID and a subspace method made for closed-loop identification, where the last two are the most successful ones. PEM is used in a second step and successfully enhances the parameter estimates from the other algorithms.

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La majeure partie des communications mondiales est transportée par des systèmes transocéaniques à fibre optique. Il est estimé que d'ici 2020 le trafic de données atteindra 4.3 ZB par an. Afin de faire face à cette demande, différentes technologies sont actuellement étudiées pour augmenter la capacité des systèmes de transmission très longue distance. Avec l'avènement des circuits intégrés à haute vitesse, des formats de modulation avancés et des techniques de traitement de signal numérique (DSP) peuvent être utilisés pour maximiser l'efficacité spectrale de transmission. Par ailleurs, la capacité des systèmes modernes est fortement limitée par les effets non-linéaires de type Kerr dans la fibre. Ainsi, la première partie de ce travail est axée sur l’étude de la performance et des gains réalisables par des techniques DSP à faible complexité pour mitiger les effets non-linéaires monocanal. En outre, l’utilisation des formats de modulation multiniveaux à haute efficacité spectrale au-delà de 16QAM a pris de l'ampleur pour augmenter le débit de transmission des systèmes, notamment avec l’introduction des formats QAM avec mise en forme probabiliste (PCS-QAM), plus performants que les formats QAM classiques. La deuxième partie de ce travail présente donc une comparaison théorique ainsi qu’expérimentale du format PCS-64QAM avec d’autres formats à haute efficacité spectrale pour les distances transatlantiques. La mise en œuvre d’un format PCS-64QAM conçu pour les distances transpacifiques est également abordée. Enfin, la dernière partie de ce travail concrétise les résultats des travaux menés dans les deux sections précédentes en présentant plusieurs records de transmission / Global data traffic is expected to reach up to 4.3 ZB per year by 2020. With the majority of the global communications being transported on submarine point-to-point fiber-optic systems, different cutting-edge technologies have been under research to cope with this unprecedented traffic growth. Continuous advances in high-speed integrated circuits have allowed the use of advanced modulation formats and digital signal processing (DSP) techniques to maximize the transmission spectral efficiency. With mitigation of fiber linear effects efficiently carried out by DSP with relative low-complexity, the capacity of modern fiber optic systems rests limited by fiber nonlinearities. To this extent, in the first part of this work, the performance and achievable benefits of low-complexity DSP techniques aiming to mitigate fiber Kerr nonlinear effects are investigated. Besides nonlinear compensation techniques, the use of multi-level modulation formats beyond 16QAM and high symbol rate channels have gained momentum to increase the system spectral efficiency. One of the major breakthroughs in the recent years, has been the introduction of QAM-based probabilistic constellation shaping (PCS-QAM), which has proven to outperform regular QAM formats. In this sense, in the second part of this work, the practical achievable rate increase brought by PCS-QAM for transoceanic distances is investigated. A theoretical and experimental comparison with other high-capacity formats is performed, and the design of a PCS-QAM for trans-Pacific distances is addressed. Finally, in the last section, several transmission records using the two above techniques are reported

Ce travail de thèse est consacré à l'extension de l'Inversion Dynamique non-linéaire (NDI-Nonlinear Dynamic Inversion) pour un ensemble plus grand de systèmes non-linéaires, tout en garantissant des conditions de stabilité suffisantes. La NDI a été étudiée dans le cas de diverses applications, y compris en aéronautique et en aérospatiale. Elle permet de calculer des lois de contrôle capables de linéariser et de découpler un modèle non-linéaire à tout point de fonctionnement de son enveloppe d'état. Cependant cette méthode est intrinsèquement non-robuste aux erreurs de modélisation et aux saturations en entrée. En outre, dans un contexte non-linéaire, l'obtention d'une garantie quantifiable du domaine de stabilité atteint reste à l'heure actuelle complexe. Contrairement aux approches classiques de la NDI, notre méthodologie peut être considérée comme un cadre de compensation non-linéaire généralisé qui permet d'intégrer les incertitudes et les saturations en entrée dans le processus de conception. En utilisant des stratégies de contrôle antiwindup, la loi de pilotage peut être calculée grâce à un simple processus en deux phases. Dans ce cadre de travail généralisé des transformations linéaires fractionnaires (LFT - Linear Fractional Transformations) de la boucle fermée non-linéaire peuvent être facilement déduites pour l'analyse de la stabilité robuste en utilisant des outils standards pour de systèmes linéaires. La méthode proposée est testée pour le pilotage d'un véhicule de rentrée atmosphérique de type aile delta lors de ses phases hypersonique, transsonique et subsonique. Pour cette thèse, un simulateur du vol incluant divers facteurs externes ainsi que des erreurs de modélisation a été développé dans Simulink. / This thesis work is devoted to extending Nonlinear Dynamic Inversion (NDI) for a large scale of nonlinear systems while guaranteeing sufficient stability conditions. NDI has been studied in a wide range of applications, including aeronautics and aerospace. It allows to compute nonlinear control laws able to decouple and linearize a model at any operating point of its state envelope. However, this method is inherently non-robust to modelling errors and input saturations. Moreover, obtaining a quantifiable guarantee of the attained stability domain in a nonlinear control context is not a very straightforward task. Unlike standard NDI approaches, our methodology can be viewed as a generalized nonlinear compensation framework which allows to incorporate uncertainties and input saturations in the design process. Paralleling anti-windup strategies, the controller can be computed through a single multichannel optimization problem or through a simple two-step process. Within this framework, linear fractional transformations of the nonlinear closed-loop can be easily derived for robust stability analysis using standard tools for linear systems. The proposed method is tested for the flight control of a delta wing type reentry vehicle at hypersonic, transonic and subsonic phases of the atmospheric reentry. For this thesis work, a Flight Mechanics simulator including diverse external factors and modelling errors was developed in Simulink.