Cette thèse a pour but de proposer des lois de commande sans capteur mécanique de la machine asynchrone. Chaque loi de commande élaborée a été validée expérimentalement sur un benchmark industriel, prenant en compte les problèmes de la machine asynchrone à très basse vitesse. L'étude de l'observabilité montre que la machine asynchrone est inobservable à très basse vitesse lorsque la mesure de la vitesse n'est disponible. La synthèse d'observateurs pour la machine asynchrone sans capteur mécanique a été une des contributions principales de nos travaux. Dans un premier temps, un observateur interconnecté à grand gain a été conçu pour reconstruire les variables mécaniques (vitesse, couple de charge) et les variables magnétiques (flux). Dans un second temps un observateur adaptatif interconnecté a été synthétisé pour estimer en plus des variables mécaniques et magnétiques, la résistance statorique paramètre crucial à très basse vitesse. Les résultats sur le benchmark "Observateur sans capteur mécanique" ont montré une amélioration sensible des performances robustes. La conception de commandes non linéaires sans capteur mécanique pour la machine asynchrone constitue la contribution majeure de nos travaux en démontrant la stabilité globale de l'ensemble "Commande+Observateur" et avec validation expérimentale sur le benchmark "Commande sans capteur mécanique". Plusieurs lois de commande ont été conçues et comparées : type PI avec termes non linéaires, type modes glissants d'ordre un, puis d'ordre supérieur et enfin une loi de type backstepping. Ces deux dernières ont de bonnes performances tant en basse vitesse qu'en haute vitesse. Les résultats ont été comparés positivement à ceux d'un variateur industriel sur le benchmark "Commande sans capteur mécanique" : dans la zone inobservable, il est instable contrairement aux lois de commande que nous avons conçues

Cette thèse concerne le problème d'identification robuste H indice infini de données harmoniques sur une bande limitée de fréquence, généralisation plus réaliste du problème d'identification robuste H indice infini étudié ces dernières années notamment par Gu, Helmiki, Jacobson, Kargonekhar, Mäkilä, Nett et Partington. L'introduction, en dehors de cette bande, d'un comportement de référence et d'un gabarit rend possible une adaptation des algorithmes classiques en deux étapes, La solution du problème posé est alors donnée par la résolution d'un problème extrémal borné après une première étape d'interpolation robuste des données sur un arc du cercle unité. Cependant, la solution ainsi calculée est typiquement discontinue. La principale contribution de ce travail à l'identification fréquentielle robuste consiste à montrer qu'il est possible de prendre en compte le caractère local des données en fréquence et garantir l'appartenance de la solution à l'algèbre du disque. Un algorithme est donné et sa mise en œuvre numérique est détaillée. Le choix du comportement en dehors de la bande considérée pose plus généralement le problème de complétion analytique borné dans H indice p. Nous le résolvons dans H indice 2 et l'utiliserons pour vérifier la validité de l'hypothèse de linéarité du système.

Lors de la modélisation du comportement mécanique de structures comme des avions, ou des lanceurs spatiaux, il subsiste des incertitudes parfois fortes, notamment en ce qui concerne l'évaluation des efforts extérieurs ou la rigidité des liaisons. Jusqu'à présent, des coefficients de sécurité, souvent forfaitaires, sont employés, de manière à assurer le bonne tenue des structures, en se basant sur les résultats de modèles simplifiés de la réalité. Cette thèse s'inscrit dans la problématique de validation des modèles numériques utilisés, et tente d'apporter des outils pratiques pour le dimensionnement de toute structure réelle, en présence d'incertitudes, tout en limitant les sur-dimensionnements liés à l'éventuel emploi de coefficients de sécurité. Dans cette optique, les travaux présentés ici s'appuient sur la théorie des méconnaissances, qui vise à remplacer les politiques de marges par une approche un peu plus scientifique. Développée au LMTCachan depuis 2002, son objet est de fournir, moyennant une modélisation originale des incertitudes en présence, les bornes de l'intervalle qui, pour une famille de structures donnée, a une certaine probabilité de contenir la quantité d'intérêt recherchée. Nous proposons des extensions permettant de modéliser les incertitudes portant sur les efforts appliqués aux structures étudiées, ou sur des rigidités anisotropes. Un autre aspect du travail présenté concerne la propagation des méconnaissances introduites à des quantités d'intérêt statiques, de type contraintes ou déplacements locaux. Une fois ceci défini, il est alors possible de définir une approche permettant d'estimer la probabilité de défaillance d'une structure à partir d'un modèle avec méconnaissances, et d'obtenir des indicateurs de la marge disponible par l'amélioration de telle ou telle méconnaissance. Cette approche permet d'inscrire la théorie des méconnaissances dans une optique de conception robuste.

L'objet de la thèse était la commande d'un système de nano-positionnement par couranttunnel, avec application sur la plateforme expérimentale développée au laboratoire Gipsa-lab.Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la commande des systèmes micro et nano-mécatronique,pour des applications en microscopie en champ proche ou dans des systèmes depositionnement ultra-précis. A l'échelle nanométrique, des problèmes de bruits de différentesnatures, vibrations, non-linéarités et instabilité influencent la précision et la qualité de mesuredu système. L'objectif était donc de pouvoir faire face à ces contraintes en utilisant destechniques modernes de commande robuste. Dans cette thèse, un système de mesure à couranttunnel a été modélisé et le problème de contrôle lié aux performances de mesure souhaitées aété formulé. Les performances souhaitées, à savoir la précision de la mesure et le rejet decertaines perturbations avec la robustesse adéquate, ont été atteints en utilisant des lois decommande robuste. Ces lois de commande ont été validées expérimentalement (àl'atmosphère ambiante) sur une plateforme du Gipsa-lab. À la fin de cette thèse, pour uneapplication de scanner de surface à l'échelle atomique, une modélisation dynamique MIMOdu système a été proposée et un régulateur MIMO afin de réduire l'erreur de positionnementdûe au couplage a été validé en simulations.

Au cours des dernières années, les centres d'appels ont été introduits avec succès par de nombreuses entreprises axées sur les services comme les banques et les compagnies d'assurance. Ils deviennent le principal point de contact avec les clients, et une partie intégrante de la majorité des sociétés. L'émergence à grande échelle des centres d'appels a créé une source féconde de problèmes de gestion des opérations. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la question de dimensionnement et définition des emplois du temps dans les centres d'appels. L'objectif de notre travail consiste à développer des analyses qualitatives ainsi que quantitatives, afin de déduire des recommandations utiles aux managers.Nous analysons quatre problèmes qui tiennent compte de l'incertitude sur les paramètres d'arrivée des appels. Le processus d'arrivée des appels est supposé suivre un processus non stationnaire et doublement stochastique avec un taux moyen d'arrivée aléatoire.Dans le premier modèle, nous considérons un centre d'appels avec une seule vacation possible. Les agents traitent en même temps des appels entrants et des tâches de back-office. Ceci permet d'avoir une certaine souplesse pour modifier en temps réel la capacité instantanée de traitement des appels entrants. Nous analysons l'impact de la flexibilité offerte par les charges de travail de back-office.Dans le deuxième modèle, nous considérons un centre d'appels avec plusieurs vacations possibles. Les agents traitent seulement des appels entrants. Dans ce modèle, le dimensionnement initialement établi peut être corrigé au cours de la journée de travail. Nous proposons une approche de programmation stochastique en deux étapes et une approche de programmation réglable robuste pour résoudre le problème d'optimisation. En particulier, nous analysons et montrons l'avantage supplémentaire d'utiliser le réglage dynamique sur les coûts de dimensionnement du centre d'appels. Dans le troisième modèle, nous considérons un autre type d'incertitude supplémentaire, qui est l'incertitude sur la distribution de probabilité d'un paramètre aléatoire. Nous proposons une approche combinant la programmation stochastique et la programmation distributionnellement robuste, et nous évaluons son rendement. Le dernier problème de dimensionnement d'un centre d'appels pour lequel le manager se propose de satisfaire un niveau de service global pour toute la journée au lieu d'un niveau de service objectif par période. Nous permettons également la mise à jour du dimensionnement au cours de la journée. Dans notre analyse, nous montrons en particulier les avantages de l'ajout de la flexibilité de mise à jour, et soulignons l'impact d'avoir une contrainte de service niveau globale sur les performances.

Les avions rencontrent de nombreuses conditions d’opérations au cours de leurs vols, comme le nombre de Mach, l’altitude et l’angle d’attaque. Leur prise en compte durant la conception améliore la robustesse du système et finalement la consommation des flottes d’avions. L’optimisation de formes aérodynamiques contribue à la conception des avions, et repose sur l’automatisation de la génération de géométries ainsi que la simulation numérique de la physique du vol. La minimisation de la trainée des formes aérodynamiques doit prendre en compte de multiples conditions d’opération, étant donne que l’optimisation a une unique condition de vol mène a des formes dont la performance se dégrade fortement quand cette condition de vol est perturbée. De plus, la flexibilité structurelle déforme les ailes différemment selon la condition de vol, et doit donc être simulée lors de telles optimisations. Dans cette thèse, la minimisation de la consommation de carburant au cours d’une mission est formulée en problème d’optimisation. Une attention particulière est apportée au choix des conditions d’opérations à inclure dans le problème d’optimisation, étant donne que celles-ci ont un impact majeur sur la qualité des résultats obtenus, et que le cout de calcul est proportionnel à leur nombre. Un nouveau cadre théorique est proposé pour adresser cette question, offrant un point de vue original et surmontant des difficultés révélées par les méthodes a l’état-de-l’ art en matière de mise en place de problèmes d’optimisation multipoints. Un algorithme appelé Gradient Span Analysis (GSA), est proposé pour automatiser le choix des conditions d’opération. Il est base sur la réduction de dimension de l’espace vectoriel engendre par les gradients adjoints aux différentes conditions de vol. Des contributions de programmation a la chaine d’optimisation ont permis d’évaluer les méthodes aux optimisations du profil académique RAE2822 et de la configuration voilure-fuselage XRF-1, représentative des avions de transport modernes. Alors que les formes résultant d’optimisation mono-point présentent de fortes dégradations de performance hors du point de conception, les optimisations multipoints adéquatement formulées fournissent de bien meilleurs compromis. Il est finalement montre que les interactions fluide-structure ajoutent de nouveaux degrés de liberté, et ont un impact sur les optimisations en de multiples conditions de vol, ouvrant des perspectives en matière d’adaptation passive de forme. / An aircraft encounters a wide range of operating conditions during its missions, i.e. flight altitude, Mach number and angle of attack, which consideration at the design phase enhances the system robustness and consequently the overall fleet consumption. Numerical optimization of aerodynamic shapes contributes to aircraft design, and relies on the automation of geometry generation and numerical simulations of the flight physics. Minimization of aerodynamic shapes drag must take into account multiple operating conditions, since optimization at a single operating condition leads to a strong degradation of performance when this operating condition varies. Besides, structural flexibility deforms the wings differently depending on the operating conditions, so has to be simulated during such optimizations. In the present thesis, the mission fuel consumption minimization is formulated as an optimization problem. The focus is made on the choice of operating conditions to be included in the optimization problem, since they have a major impact on the quality of the results, and the computational cost is proportional to their number. A new theoretical framework is proposed, overcoming and giving new insights on problematic situations revealed by state-of-the-art methods for multipoint optimization problem setup. An algorithm called Gradient Span Analysis is proposed to automate the choice of operating conditions. It is based on a reduction of dimension of the vector space spanned by adjoint gradients obtained at the different operating conditions. Programming contributions to the optimization chain enabled the evaluation of the new method on the optimizations of the academic RAE2822 airfoil, and the XRF-1 wing-body configuration, representative of a modern transport aircraft. While the shapes resulting of single-point optimizations present strong degradations of the performance in off-design conditions, adequately formulated multi-Machmulti- lift optimizations present much more interesting performance compromises. It is finally shown that fluid-structure interaction adds new degrees of freedom, and has consequences on multiple flight conditions optimizations, opening the perspective of passive shape adaptation.

Cette thèse s’adresse à la problématique de contrôle/commande et d'observation des exosquelettes du membre supérieur pour l’assistance à la mobilité des personnes qui souffrent d'un déficit moteur, caractérisé par une perte totale ou partielle des capacités motrices. Le robot utilisé pour les validations est conçu par RB3D dans le but des travaux de recherches sur les lois de commandes pour la rééducation du membre supérieur au sien du Laboratoire LISSI (Laboratoire Images, Signaux et Systèmes Intelligents) de l’UPEC, appelé ULEL (Upper Limb Exoskeleton of LISSI).Deux approches de commande d'exosquelettes pour la rééducation fonctionnelle du membre supérieur ont été proposées. La première commande est conçue sur la base d’un estimateur en-ligne des paramètres dynamiques. Cette méthode d'adaptation permet d'améliorer les performances de contrôle de ce système, et de compenser les erreurs paramétriques dues au couplage de l'exosquelette avec le membre humain.La deuxième contribution consiste en une stratégie de commande robuste basée sur les modes glissants. Cette stratégie non-linéaire, garantie la convergence des erreurs de poursuite vers zéro en temps fini lorsque le régime de glissement est atteint. Ce type de commande est connu par sa robustesse vis-à-vis les variations paramétriques et les perturbations externes. L'efficacité de la méthode proposée est démontrée expérimentalement pour le mode de rééducation passif.Dans la dernière partie de la thèse, un observateur en mode glissant d'ordre supérieur est proposé pour estimer les couples d'interactions homme-exosquelette. L'observateur proposé est capable d'estimer les efforts au niveau de l'interface d'interaction entre l'exosquelette et le membre humain, en utilisant les mesures de position et l'entrée de commande. Les résultats obtenus montrent l’efficacité des solutions proposées sur l’exosquelette ULEL. / This thesis addresses the problem of control of an upper limb exoskeleton for mobility assistance of people who suffer from a motor deficit, characterized by a total or partial loss of motor skills. The robot used is designed by RB3D for the purpose of research work on the control laws for the rehabilitation of the upper limb at LISSI Laboratory (Laboratory Images, Signals and Intelligent Systems) of the UPEC university; this exoskeleton is called ULEL (Upper Limb Exoskeleton of LISSI).Two approaches to control exoskeletons for functional rehabilitation of the upper limb have been proposed. The first control is based on an online estimator of dynamic parameters. This adaptation method makes it possible to improve the control performance of this system, and to compensate for parametric errors due to coupling the exoskeleton with the human limb.The second contribution consists of a robust control strategy based on sliding modes. This nonlinear strategy guarantees the convergence of tracking errors to zero in finite time when the sliding mode is reached. This type of control is known by its robustness with respect to parametric variations and external disturbances. The effectiveness of the proposed method is experimentally demonstrated for the passive rehabilitation mode.Finally, in the last part of this thesis, a higher order sliding mode observer is proposed to estimate interactions torques of the human-exoskeleton system. The proposed observer is able to estimate the forces at the interaction interface between the exoskeleton and the human limb, using the position measurements and the control input. The obtained results show the effectiveness of the proposed solutions using the exoskeleton ULEL.

Les dernières décennies ont vu le développement important de la chirurgie mini-invasive. L'acte mini-invasif apporte de nombreux avantages pour les patients: séjour plus court à l'hôpital, réduction des coûts, un traumatisme réduit et la diminution des complications postopératoires. Dans ce contexte, l'assistance robotique est capable de rendre l'acte chirurgical plus intuitif et plus sûr pour les chirurgiens. Dans le domaine de la chirurgie cardiaque mini-invasive, les mouvements respiratoires et cardiaques sont deux sources de perturbations importantes pour les chirurgiens. Malgré l'existence de versions miniaturisées de stabilisateurs cardiaques mécaniques, le mouvement résiduel est encore considérable et doit être manuellement compensé par le chirurgien. Dans ces travaux de thèse, des techniques de suivi visuel pour l'estimation du mouvement 3D du coeur ont été développées. Pour la compensation active des mouvements physiologiques, seules les structures naturelles sur la surface du coeur sont utilisées. Deux contributions dans le domaine de la compensation des mouvements physiologiques pour la chirurgie cardiaque robotisée ont été proposées. La première est une méthode de suivi visuel 3D basée sur un modèle déformable de type ``plaque mince'' et une paramétrisation efficace pour le suivi 3D en images stéréo-endoscopiques. La seconde contribution est une méthode de suivi robuste qui prédit le mouvement futur du coeur pour contourner des problèmes comme les occlusions par les instruments chirurgicaux et les éventuelles réflexions spéculaires. La méthode de prédiction est basée sur une série de Fourier estimée à travers un filtre de Kalman étendu. / The past decades have witnessed the notable development of minimally invasive surgery (MIS). The benefits of this modality of surgery for patients are numerous, shortening convalescence, reducing trauma and surgery costs. In this context, robotic assistance aims to make the surgical act more intuitive and safer. In the domain of cardiac MIS, heartbeat and respiration represent two important sources of disturbances. Even though miniaturized versions of heart stabilizers have been conceived for the MIS scenario, residual motion is still considerable and has to be manually canceled by the surgeon. In this thesis, the focus is put on computer vision techniques for estimating the 3D motion of the heart relying solely on natural structures on the heart surface for active compensation of physiological motions. Two main contributions on the subject of motion compensation for robotized cardiac MIS are proposed. The first is a visual tracking method for estimating the 3D deformation of a region of interest on the heart surface. A thin-plate spline model is used for representing the heart surface deformations and a novel efficient parameterization for 3D tracking using stereo endoscopic images is proposed. The method is robust to illumination variations and large tissue deformations. The second contribution is a robust visual tracking method using motion prediction. A time-varying dual Fourier series for modeling the quasi-periodic beating heart motion is proposed. For estimating the parameters of the Fourier series, a probabilistic framework is based on the Extended Kalman filter (EKF) is used. The visual tracking method is integrated in the heart motion prediction framework, creating an unified framework for estimating the temporal motion and spatial deformation of the heart surface. Experimental results have shown the effectiveness of the proposed methods.

Cette thèse présente un nouveau cadre pour la conception de correcteurs à gain programmé. Une partie de ce cadre est une fusion novatrice de la théorie des systèmes et de la commande (la métrique ν-gap et sa variante fréquentiellle) et de l'analyse en grappes, technique commune en analyse de données statistiques, apprentissage automatique, fouille de données, etc. La combinaison des deux champs permet de subdiviser le domaine de fonctionnement d'un système non linéaire en secteurs afin de récupérer des informations sur le comportement en boucle fermée avant la conception de la commande. Chaque secteur représente une partie du domaine opérationnel ayant des propriétés de retour similaires, c'est-à-dire que les points de fonctionnement dans un secteur ont des comportements davantage similaires (mesurés par la mesure d'écart ponctuel) les uns des autres que les points de fonctionnement des autres secteurs. La solution de sectorisation est utilisée en vue de réaliser des correcteurs séquencés réglés à partir d'un modèle linéarisé. Par exemple, une distribution optimisée et parcimonieuse des points de synthèse pour les correcteurs LTI est sélectionnée et la distribution des secteurs est exploitée pour le mélange des correcteurs linéaires individuels en un correcteur non-linéaire couvrant l'ensemble du domaine de fonctionnement. L'avantage général de ce cadre est qu'il présente une procédure systématique qui réduit potentiellement le temps, les efforts et donc le coût global d'un projet de développement en réduisant les itérations inutiles au cours du cycle de conception. Le cadre proposé est évalué à partir d’un exemple générique de missile industriel. / This thesis presents a new framework for the design of gain-scheduled controllers. Part of this framework is a novel merging of system & control theory (the ν-gap and pointwise gap metric) and cluster analysis, a common technique in statistical data analysis, machine learning, data mining, etc. The combination of both fields allows for a subdivision of a nonlinear system's operating domain into sectors in order to retrieve information on the feedback behaviour before the actual control design. Each sector represents a part of the operating domain with similar feedback properties, i.e. operating points inside a sector are more similar (as measured by the pointwise gap metric) to each other than to operating points in other sectors. The sectoring solution is used in the proposed framework to support the design of a linearization-based gain-scheduled controller. For example, a reduced and optimized distribution of design points for the LTI controllers is selected and the sectors' distribution is exploited for the blending of the individual linear controllers into an operating domain wide nonlinear controller. The overall advantage of the framework is that it presents a systematic procedure that potentially reduces the overall time, effort, and therefore cost of a development project by preventing unnecessary iterations in the design cycle specifically associated with the control design. The proposed framework is verified at the example of a generic industrial missile benchmark.

Cette thèse porte sur les problèmes de stabilité en fréquence et en tension des microréseaux isolés avec forte pénétration d'énergies renouvelables en utilisant des dispositifs de stockage d'énergie, et se divise en deux parties principales.Dans la première partie, nous proposons une conception systématique d'une structure de commande robuste multi-variable pour le réglage de fréquence dans un système de génération de puissance hybride diesel-photovoltaïque-supercondensateur fonctionnant en mode autonome. La structure de commande proposée repose sur une architecture à deux niveaux: les contrôleurs d'asservissement de courant basés sur commande PI classique sont placés sur le niveau de commande inférieur et reçoivent des références d'un niveau supérieur qui, lui, est basé sur commande H-infini. Une méthodologie compréhensive qui traduit les demandes d'ingénierie spécifiques de l'opération du microréseau dans le formalisme de commande H-infini est détaillée. Nous montrons également comment les spécifications de performance dynamiques en boucle fermée doivent à leur tour être prises en compte dans la configuration et le dimensionnement initiaux du microréseau, c'est-à-dire en choisissant de manière appropriée et en évaluant le système de stockage d'énergie. Ensuite, une analyse de performance robuste du contrôleur H-infini synthétisé en présence de diverses perturbations de charge, des variations de puissance active de la source photovoltaïque, et des incertitudes du modèle est effectuée afin de déterminer la plage de variation maximale des paramètres pour laquelle les performances de commande imposées sont respectées pour le point de fonctionnement considéré. Les simulations numériques réalisées avec MATLAB/Simulink montrent l'efficacité de la stratégie de commande robuste de fréquence proposée sur un microréseau d'ordre de quelques MVA. Un banc de test de prototypage rapide, qui est composé d'un système de stockage d'énergie réel à base de supercondensateurs et un réseau diesel-photovoltaïque-charge émulé, est développé afin de valider expérimentalement cette stratégie de commande.La deuxième partie de cette thèse se concentre sur le calcul d'un contrôleur de tension multi-variable basé sur commande H-infini afin de forcer robustement l'amplitude de tension du point de couplage commun à satisfaire des spécifications dynamiques. La même idée de la structure de commande à deux niveaux en cascade - où ce contrôleur est placé sur un niveau de commande supérieur et fournit les références de courant aux contrôleurs de courant placés sur un niveau inférieur - est également adoptée. Ensuite, la performance et la robustesse du contrôleur H-infini proposé en présence de diverses perturbations de puissance réactive de la charge et de la source photovoltaïque, ainsi que des incertitudes du modèle, sont étudiées en utilisant des simulations temporelles MATLAB/Simulink. / This thesis addresses the frequency and voltage stability issues of stand-alone microgrids with high penetration of renewable energy by making use of energy storage devices, and is divided into two main parts.In the first part, we propose a systematic design of a multi-variable robust control structure for frequency regulation in a diesel-photovoltaic-supercapacitor hybrid power generation system operating in stand-alone mode. The proposed control structure relies on a two-level architecture: classical PI-based current tracking controllers are placed on the low control level and receive references from an H-infinity-control-based upper level. A comprehensive methodology that casts the specific engineering demands of microgrid operation into H-infinity control formalism is detailed. It is also shown how closed-loop dynamic performance requirements must at their turn be taken into account in the initial microgrid setup and sizing, namely in appropriately choosing and rating the energy storage system. Then, a robust performance analysis of the synthesized H-infinity controller in the presence of various load disturbances, photovoltaic output active power variations, and model uncertainties is carried out in order to determine the maximum parameter variation range for which the imposed control performances are respected for the considered operating point. Numerical simulations performed with MATLAB/Simulink show the effectiveness of the proposed frequency robust control strategy on a MVA-rated microgrid. A rapid-prototyping test bench, which is composed of a real supercapacitor-based energy storage system and an emulated diesel-photovoltaic-load grid, is developed in order to experimentally validate this control strategy.The second part of this thesis focuses on computing an H-infinity-based multi-variable voltage controller in order to robustly force the voltage magnitude of the point of common coupling to satisfy dynamic specifications. The same idea of cascaded two-level control structure - where this controller is placed on an upper control level and provides the references to current controllers placed on a lower level - is aslo adopted. Then, the performance and robustness of the proposed H-infinity controller in the presence of various load and photovoltaic reactive power disturbances, as well as model uncertainties, are studied based on MATLAB/Simulink time-domain simulations.