Aujourd'hui traverser les océans peut s'effectuer sans difficulté en utilisant toute sorte de véhicule marin. Cependant, il n'en est pas de même pour l'exploration des fonds marins. Face à ce milieu hostile et dangereux, mais potentiellement riche tant sur le plan biologique que sur le plan d'éventuelles ressources exploitables, l'homme a besoin d'assistance dans sa découverte des profondeurs, l'intervention de robots sous-marins est une alternative pour écarter les dangers qui peuvent subir les plongeurs. Dans ce contexte, le présent manuscrit porte sur la modélisation et la commande d'un ROV (Remotely Operated Vehicle) destiné pour l'observation des sites archéologies. Après avoir identifié les différentes variables caractérisantes de la géométrie fixe, nous détaillons, dans un premier temps, la modélisation cinématique et dynamique du véhicule. Il est important de noter qu'un jeux de paramètres d'inertie, masse ajoutée et coefficients de traînées est identifié moyennant les caractéristiques géométriques du robot. Un modèle hydrodynamique non-linéaire et complet du sous-marin a ainsi pu être développé. Pour réussir une opération d'observation, en utilisant les caméras embarquées, la deuxième partie de la thèse traite le problème de stabilisation du modèle du ROV à l'équilibre. Nous proposons une commande instationnaire explicite dépendante à la fois de l'état et du temps, suivie d'une étude de robustesse de la commande par rapport aux perturbations extérieures vérifiant certains degrés d'homogénéité. L'autonomie d'une opération d'observation nécessite aussi de contrôler les déplacements du Rov tout au long d'une trajectoire de référence. Nous avons traité dans la troisième partie de ce manuscrit le problème de stabilité et de stabilisation d'un système d'erreur entre la position réelle du véhicule et la position d'un modèle de référence. Afin d'exploités les résultats théoriques de la thèse, en bénéficiant de l'expertise de l'équipe IRA2 dans le domaine de la Réalité Virtuelle (RV), en dépit des simulations classiques réalisées sous Matlab, nous proposons de construire un environnement sous-marin (ou piscine) qui intègre la CAD du Rov: simulation interactive pour la navigation. Ainsi, on a posé les problématiques liées aux capteurs virtuels et la construction des observateurs, interfaçage des boucles de commande (à travers simulink) et la plateforme virtuelle qui fait appel à Virtools. / Today cross oceans can be done easily. However, it is not the same case for the seabed exploration. As this hostile and dangerous environment can be biologically rich and has exploitable resources, the man needs help in his discovery of the depths. Therefore, the intervention of underwater robots was a solution. In this context, the present manuscript deals with modeling and control of a ROV (Remotely Operated Vehicle). After identifying the different variables characterizing the fixed geometry, we study, at first, kinematics and dynamic modeling of the ROV. It is important to note that sets of inertia parameters of added mass and streaks coefficients is identified by means of the geometrical characteristics of the robot. A full nonlinear dynamic model of the submarine has been established. The second part of the thesis deals with the stabilization problem of the ROV’s model. We offer an explicit unsteady dependent control of both the state and time. A robust study of the control relative to external interference checking certain degree of homogeneity has been established. The autonomy of Rov also requires control movement along a reference path. We treated in the third part the Rov’s stability problem to ensure the tracking of a reference trajectory. These results are operated on a virtual platform, and implemented on the dedicated Virtools software for this application. To lighten the structure in terms of sensors and because of the high prices of various sensors, it is necessary to design a system called auxiliary observer who charge rebuild unmeasurable states using available information. A nonlinear observer has been proposed to the estimation of linear and non-measurable angular velocity, which will be considered as virtual sensors. These sensors will be implemented on the platform that will be used to animate the ROV in its virtual world.

Les travaux de recherche entrent dans le cadre de la reconfiguration de lois de commande des systèmes dynamiques présentant divers modes de fonctionnement afin d’assurer les performances désirées. Deux approches d’accommodation ont été proposées pour la commande de ces systèmes dynamiques : une approche passive qui présente un régulateur à paramètres fixes ne garantissant pas les mêmes performances pour différents modes de fonctionnement et une approche active dans laquelle les paramètres du système de commande peuvent être mis à jour selon le mode de fonctionnement détecté. C’est cette deuxième approche basée sur une représentation multi-modèles du système qui a été retenue dans nos travaux.Les erreurs de modélisation correspondant aux variations de conditions de fonctionnement, sont dans ce cas détectées par un algorithme de détection et de localisation de variations de modes de fonctionnement. Il s’en suit une reconfiguration d’une loi de commande par platitude en utilisant le principe de commutation. Cette approche garantit la régulation et la poursuite d’une trajectoire de référence. Pour sa mise en œuvre, un banc de régulateurs, conçu par platitude, a été élaboré pour les modèles discrets plats obtenus autour des divers points de fonctionnement.La détection des modes de fonctionnement est effectuée par une génération de résidus en utilisant un ensemble d’observateurs de type Luenberger dont les gains sont calculés en utilisant l’outil LMI.L'étude de la stabilité ainsi que l'introduction de dispositifs d'anti-emballement liés à la commutation entre les régulateurs, ont été considérés dans l'approche proposée / The work presented in this memory concerns the control reconfiguration of dynamical systems with variation of operating modes in order to ensure the desired performances. For the control of dynamic systems, two approaches of accommodation have been proposed. The passive approach presents a controller with fixed parameters that doesn’t ensure the same performance for different operating modes and an active approach in which the controller settings can be updated according to the variation of the detected operating mode. Our work has therefore focused on this second approach based on multi-models system representation. The modelling errors corresponding to the variations of operating conditions are detected in this case by detection and localization algorithm, consequently, a reconfiguration strategy based on flatness-based switching control is proposed. This approach guarantees the control and the tracking of a reference trajectory. In fact, we have synthesised a discrete flatness-based multi-controllers associated for each operating model obtained from different operating points. Detection of operating modes is done by a residual generation by using Luenberger observers which gains are calculated using the LMI tool. Study of the stability as well as the use of anti-windup devices related to switching between controllers; have been considered in the proposed approach

Ce travail porte sur une classe étendue de systèmes non linéaires à retards, modelisés sur un anneau non commutatif.<br /><br />On recherche des solutions causales pour divers problèmes de la commande, pouvant être mises en oeuvre sans faire appel aux prédicteurs d'état.<br /><br />Pour ce faire, une nouvelle approche mathematique adaptée à cette classe de systèmes à été introduite. Elle est établie de façon naturelle à partir des connaissances standard sur les systèmes non linéaires sans retard et sur les systèmes linéaires à retards.<br /><br />Cette nouvelle approche est, en fait, une contribution majeure de ce travail de thèse. Elle nous a permis d'étudier quelques propriétés des systèmes non linéaires à retards, telles que l'accessibilité ou l'inversion, mais aussi de proposer des conditions vérifiables et constructives sous lesquelles il existe des solutions causales à plusieurs problèmes de la commande, tels que le rejet de perturbation, la linéarisation entrée-sortie et la poursuite de trajectoire.

Ce travail de recherche présente une étape importante pour la synthèse de loi de poursuite robuste de trajectoires d'une classe particulière de systèmes non linéaires. Cette étape concerne la caractérisation des systèmes non linéaires plats perturbés, à platitude invariante, sous forme de systèmes Linéaires à Paramètres Variants dans le temps (LPV). La méthodologie utilisée est basée sur la linéarisation exacte par anticipation fondée sur la platitude. L'approche présentée permet de générer, en utilisant la platitude, des trajectoires et des commandes optimales en boucle ouverte pour un modèle fixé. Elle permet également d'obtenir un modèle non linéaire du comportement dynamique de l'écart de la trajectoire induit par des erreurs de modèle et des perturbations extérieures. Après linéarisation du modèle non linéaire de l'écart le long de la trajectoire nominale, le comportement dynamique du modèle linéarisé obtenu est caractérisé par un modèle LPV. Ce dernier sera ensuite utilisé pour synthétiser un régulateur LPV garantissant stabilité et niveau de performance acceptable, en utilisant les outils des Inégalités Matricielles Linéaires (LMI). Cette méthodologie appliquée et testée dans un premier temps sur un procédé hydraulique du laboratoire (trois tanks) et ensuite mise en œuvre pour le guidage d'un Démonstrateur de Rentrée Atmosphérique (ARD).

Les études menées permettent de prendre en main un système depuis l'identification jusqu'à la commande robuste des systèmes non entiers. Les principes de la platitude permettent de parvenir à la planification de trajectoire à condition de connaître le modèle du système, d'où l'intérêt de l'identification des paramètres du système. Les principaux travaux de cette thèse concernent l'identification de système par modèles non entiers, la génération et la poursuite robuste de trajectoire par l'application des principes de la platitude aux systèmes non entiers. Le chapitre 1 rappelle les définitions et propriétés de l'opérateur non entier ainsi que les diverses méthodes de représentation d'un système non entier. Le théorème de stabilité est également remémoré. Les algèbres sur les polynômes non entiers et sur les matrices polynômiales non entières sont introduites pour l'extension de la platitude aux systèmes non entiers. Le chapitre 2 porte sur l'identification par modèle non entier. Après un état de l'art sur les méthodes d'identification par modèle non entier, deux contextes sont étudiés : en présence de bruit blanc et en présence de bruit coloré. Dans chaque cas, deux estimateurs optimaux (sur la variance et le biais) sont proposés : l'un, en supposant une structure du modèle connue et d'ordres de dérivation fixés, et l'autre en combinant des techniques de programmation non linéaire qui optimise à la fois les coefficients et les ordres de dérivation. Le chapitre 3 établit l'extension des principes de la platitude aux systèmes non entiers. La platitude des systèmes non entiers linéaires en proposant différentes approches telles que les fonctions de transfert et la pseudo-représentation d'état par matrices polynômiales est étudiée. La robustesse du suivi de trajectoire est abordée par la commande CRONE. Des exemples de simulations illustrent les développements théoriques de la platitude au travers de la diffusion thermique sur un barreau métallique. Enfin, le chapitre 4 est consacré à la validation des contributions en identification, en planification de trajectoire et en poursuite robuste sur un système non entier réel : un barreau métallique est soumis à un flux de chaleur.

Les études menées permettent de prendre en main un système depuis l’identification jusqu’à la commande robuste des systèmes non entiers. Les principes de la platitude permettent de parvenir à la planification de trajectoire à condition de connaître le modèle du système, d’où l’intérêt de l’identification des paramètres du système. Les principaux travaux de cette thèse concernent l’identification de système par modèles non entiers, la génération et la poursuite robuste de trajectoire par l’application des principes de la platitude aux systèmes non entiers.Le chapitre 1 rappelle les définitions et propriétés de l’opérateur non entier ainsi que les diverses méthodes de représentation d’un système non entier. Le théorème de stabilité est également remémoré. Les algèbres sur les polynômes non entiers et sur les matrices polynômiales non entières sont introduites pour l’extension de la platitude aux systèmes non entiers.Le chapitre 2 porte sur l’identification par modèle non entier. Après un état de l’art sur les méthodes d’identification par modèle non entier, deux contextes sont étudiés : en présence de bruit blanc et en présence de bruit coloré. Dans chaque cas, deux estimateurs optimaux (sur la variance et le biais) sont propos´es : l’un, en supposant une structure du modèle connue et d’ordres de dérivation fixés, et l’autre en combinant des techniques de programmation non linéaire qui optimise à la fois les coefficients et les ordres de dérivation.Le chapitre 3 établit l’extension des principes de la platitude aux systèmes non entiers.La platitude des systèmes non entiers linéaires en proposant différentes approches telles que les fonctions de transfert et la pseudo-représentation d’état par matrices polynômiales est étudiée.La robustesse du suivi de trajectoire est abordée par la commande CRONE. Des exemples de simulations illustrent les développements théoriques de la platitude au travers de la diffusion thermique sur un barreau métallique.Enfin, le chapitre 4 est consacré à la validation des contributions en identification, en planification de trajectoire et en poursuite robuste sur un système non entier réel : un barreau métallique est soumis à un flux de chaleur. / The general theme of the work enables to handle a system, from identification to robust control. Flatness principles tackle path planning unless knowing the system model, hence the system parameter identification necessity. The principal contribution of this thesis deal with system identification by non integer models and with robust path tracking by the use of flatness principles for fractional models.Chapter 1 recalls the definitions and properties of a fractional operator and also the various representation methods of a fractional system. The stability theorem is also brought to mind. Fractional polynomial and fractional polynomial matrice algebras are introduced for the extension of flatness principles for fractional systems.Chapter 2 is about non integer model identification. After a state of the art on system identification by non integer model. Two contexts are considered : in presence of white noise and of colored noise. In each situation, two optimal (in variance and bias sense) estimators are put forward : one, when considering a known model structure with fixed differentiating orders, and another one by combining nonlinear programming technics for the optimization of coefficients and differentiating orders.Chapter 3 establishes the extension of flatness principles to fractional systems. Flatness of linear fractional systems are studied while considering different approaches such as transfer functions or pseudo-state-space representations with polynomial matrices. Path tracking robustness is ensured with CRONE control. Simulation examples display theoretical developments on flatness through thermal diffusion on a metallic rod. Finally, Chapter 4 is devoted to validate the contributions to system identification, to trajectory planning and to robust path tracking on a real fractional system : a metallic rod submitted to a heat flux.

Les systèmes non linéaires sont si diverses que des outils communs de contrôle sont difficiles à développer. La théorie du contrôle non linéaire nécessite une analyse mathématique rigoureuse pour motiver ses conclusions. Cette thèse aborde deux branches distinctes et bien importantes de la théorie du contrôle non linéaire: le contrôle des systèmes non-linéaires incertains et le contrôle des systèmes sous-actionnés.Dans la première partie, une classe de contrôleurs par mode glissant d’ordre supérieur (MGOS) robuste, basée sur la synthèse de Lyapunov, est développée pour le contrôle des systèmes non-linéaires incertains. Cette classe de contrôleurs est basée sur une classe de régulateurs qui stabilisent une pure chaîne d’intégrateurs en temps fini, et nécessite la connaissance a priori des bornes sur les incertitudes du système. Puis, afin d’éliminer la dépendance liée à la connaissance de ces bornes, un contrôleur par MGOS adaptatif est développé. Dans un deuxième temps, un contrôleur par MGOS homogène universel est développé où il est montré que le degré d’homogénéité peut être manipulé pour obtenir des avantages supplémentaires, tels que la bornitude de la commande, la garantie d’une amplitude minimale de la discontinuité de la commande et la convergence en temps fixe. Les performances des contrôleurs proposés ont été démontrées par des simulations et à travers des résultats expérimentaux sur un système pile à combustible.Dans la deuxième partie de la thèse, deux problèmes de commande de systèmes sous-actionnés sont étudiés. Le premier problème concerne le suivi de chemin global d’un robot mobile avec un point de visée. Le deuxième problème concerne la poursuite de trajectoire globale d’un bateau. Ces deux problèmes sont de nature distincte, cependant, ils sont soumis à des contraintes physiques similaires liées à la bornitude de la commande. Ainsi, les contrôleurs proposés sont basés sur l’utilisation de commandes saturées. Des simulations ont été effectuées pour démontrer les performances de ces contrôleurs. / Nonlinear systems are so diverse that generalized tools for control are difficult to develop. Nonlinear control theory requires rigorous mathematical analysis to justify its conclusions. This thesis addresses two distinct, yet important branches of nonlinear control theory: control of uncertain nonlinear systems and control of under-actuated systems.In the first part, a class of Lyapunov-based robust arbitrary higher order sliding mode (HOSM) controllers is developed for the control of uncertain nonlinear systems. This class of controllers is based on a class of controllers for finite-time stabilization of pure integrator chain, and requires the limits of the system uncertainty to be known a-priori. Then, in order to eliminate the dependence on the knowledge of these limits, an adaptive arbitrary HOSM controller is developed. Using this new class, a universal homogeneous arbitrary HOSM controller is developed and it is shown that the homogeneity degree can be manipulated to obtain additional advantages in the proposed controllers, such as bounded control, minimum amplitude of discontinuous control and fixed time convergence. The performance of the controllers has been demonstrated through simulations and experiments on a fuel cell system.In the next part, the control of two under-actuated systems is studied. The first control problem is the global path following of car-type robotic vehicle, using target-point. The second problem is the precise tracking of surface marine vessels. Both these problems are distinct in nature; however, they are subjected to similar physical constraints. The solutions proposed for these control problems use saturated controls, taking into account the physical bounds on the control inputs. Simulations have been performed to demonstrate the performance of these controllers.