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 s'inscrit dans le thème des travaux relatifs aux techniques linéaires pour la maîtrise des systèmes non linéaires. Il s'agit d'une approche qui consiste à approximer le système non linéaire par un ensemble de systèmes linéaires incertains pour lesquels sont déterminées des commandes via les méthodes classiques des systèmes linéaires (LQ, LQG, placement de pôles, H2, H¥, etc). La commande globale consiste en un séquencement des gains locaux en fonction de l'état mesuré sur le système. Nombre d'approches multi-modèles qui vont dans cette direction comportent un degré d'imprécision, d'approximation assez élevé. Pour ce type d'approche, l'évaluation des performances et leur validation ne peut passer que par des simulations, un moyen, qui pour être à peu près convaincant, se doit d'être très lourd. L'approche développée ici a pour ambition de proposer une synthèse pas à pas de commande qui permette d'assurer un certain niveau de performances garanties. Le premier pas dans cette direction est fourni par la technique qui permet d'approximer le système non linéaire par un ensemble de systèmes linéaires (système linéaire par morceaux) avec un niveau de précision prédéfini et paramétré. Le deuxième pas est l'utilisation de méthodes de commande robustes à base de LMIs, qui vont permettre d'assurer la stabilité locale dans un domaine non infinitésimal de l'espace d'état. L'approche permet de maîtriser la complexité de la commande globale et des techniques de séquencement en permettant l'obtention d'une cardinalité raisonnable pour l'ensemble des systèmes linéaires approximants. Cette approche est illustrée sur des applications réalistes: un pendule inversé simple, un moteur et un panneau solaire.

Pour synthétiser un correcteur robuste pour un système linéaire incertain, il existe de nombreuses méthodes linéaires. Cependant, bien souvent, le gain en robustesse se fait au détriment de la performance. Aussi, dans cette thèse, on s'intéresse à la situation où la plage des valeurs possibles des paramètres est "très grande" par rapport à la "faible" variation du niveau de performance souhaité. Dans cette situation, il peut alors s'avérer intéressant d'utiliser des correcteurs séquencés. Seulement, la mise en place de cette solution nécessite que le correcteur ait à sa disposition les paramètres sur lesquels il sera séquencé. Et il peut arriver que l'on ne souhaite pas (à cause de considérations de réalisation pratique), ou que l'on ne puisse pas disposer de la mesure de ces paramètres. On est alors amené à estimer ces paramètres et donc à utiliser le paradigme de la commande adaptative. Dans cette thèse, on cherche à proposer une méthodologie de synthèse d'un correcteur auto-adaptatif afin de résoudre un problème de commande robuste d'un procédé linéaire incertain. Après une étude théorique ayant pour objectif de proposer une telle méthodologie, le cas d'un avion instable est traité à titre d'application, permettant ainsi de mettre en évidence le bénéfice que la stratégie proposée peut apporter à la commande d'un système incertain. / Many linear methods exist to design a robust controller for an uncertain linear system. This thesis considered the situation where the range of possible values of parameters is "very large" in relation to "small" variations in the desired level of performance. Frequently, an increase in robustness is obtained at the expense of a performance loss. The use of scheduled controllers may be an innovative way to address this problem. The implementation of this solution requires the controller has at its disposal the parameters on which the scheduling is done. However, it may occur that making the measure of the parameters available is not desired (for example, because of practical implementation aspects) or not possible. In these situations, the designer of the controller is led to estimate these parameters and then to use the paradigm of adaptive control. This thesis explored a methodology for designing an adaptive controller in which to solve the problem of robust control for an uncertain linear plant. A theoretical study was first undertaken which aimed to propose such a methodology; followed by, a study of the case of an unstable airplane as an application. Such an analysis highlighted the benefits that the proposed strategy can bring to the control for an uncertain plant.

La diversité des maladies des patients de réanimation fait que l’environnement technologique de soins intensifs est composé de nombreux systèmes de monitorage de constantes physiologiques, permettant à l’équipe soignante de déterminer un traitement adapté au patient. De plus en plus de systèmes ont une fonction d’assistance à la prescription ou aux soins afin de réduire la charge de travail et mentale des infirmières exigées par certains traitements ou protocoles. Ces systèmes informatisés facilitent l’intégration du protocole et de l’information disponible dans les signaux et peuvent aboutir à des systèmes de complexité élevée. La question de l’évaluation de la qualité de la réalisation et de la balance bénéfice/risque pour les patients liée à l’usage de nouveaux systèmes d’assistance se pose alors. Un problème consiste à mener cette évaluation a priori dès la conception du protocole ou de l’algorithme. Ce travail de thèse donne un exemple de méthode pour un système d’assistance au contrôle de la glycémie des patients de réanimation : l’évaluation est menée depuis la conception de l’algorithme de contrôle jusqu’à une étude clinique de grande ampleur. L’origine du dispositif étudié vient de ce que les patients présentent souvent une hyperglycémie liée au stress à leur arrivée en réanimation (l’augmentation de l’insulino-résistance, l’administration de certaines de drogues ou la déficience en insuline inhibent la réponse physiologique à l’augmentation de la glycémie). Un problème vient alors de ce que, d’une part, l’hyperglycémie prolongée étant associée à une morbidité voire une mortalité accrue, contrôler la glycémie est bénéfique, et d’autre part réduire la glycémie fait courir le risque d’épisodes hypoglycémiques pendant le séjour en réanimation. Dans ce cas, optimiser la balance bénéfice/risque est encore un problème ouvert. Bien qu’il existe de nombreux travaux sur la modélisation de la pharmacodynamique du système glucose-insuline, peu de travaux exploitent ces modèles pour fournir un système de contrôle fonctionnel, testé et industrialisable. La thèse présente un système de contrôle glycémique ainsi qu’une méthode d’évaluation généralisable à d’autres systèmes, qui teste numériquement les performances techniques et cliniques de ce type de systèmes sur des patients virtuels. Les résultats d’une étude clinique réelle sont aussi présentés. / The variety of ICU patients diseases implies that technological environment of critical care is composed of many vital signs monitoring systems, allowing the medical team to determine appropriate treatment to the patient. More and more systems have a decision-making support function to reduce the mental and physical workload of nurses required for certain treatments or protocols. These computerized systems facilitate the integration of the protocol and the information available in the signals and can lead to systems of high complexity. The issue of assessing the performances and the benefit/risk balance for the patient related to the use of new support systems arises. The problem is to conduct this evaluation a priori, during the design process of the protocol or algorithm. This work provides an example of a method to support the control of blood glucose in the ICU system evaluation is conducted for the design of the control algorithm to a large-scale clinical study.The origin of the studied device comes from the fact that patients often experience hyperglycemia due to stress upon their arrival in the ICU (increased insulin resistance, administration of interacting drugs or insulin deficiency inhibit the physiological response to the blood sugar increase). A problem then is that, on the one hand, as sustained hyperglycemia is associated with an increased morbidity or mortality, controlling glycaemia reduces risks, but, on the other hand, reducing blood sugar exposes to the risk of hypoglycemia during the ICU stay. In this case, optimizing benefit/risk ratio is still an open problem.Although there are many studies on modeling the pharmacodynamics of glucose-insulin system, few works use these models to provide a functional, tested and industrialized control system. The thesis presents a glycemic control system and a generalized method of evaluation with other systems, which tests digitally technical and clinical performances of such systems on virtual patients. The results of a real clinical trial are also presented.

Cette thèse porte sur le problème de commande des systèmes non-linéaires à paramètres variants rencontrés souvent (mais non seulement) dans le domaine aéronautique, avec la technique de séquencement de gains par linéarisation. Une stratégie innovante, appelée extended - Loop Shaping Design Procedure (e-LSDP), qui facilite et systématise la tache du scientique pour le calcul d'une loi de commande séquencée pour ce type de systèmes, est ici proposée.<br />Cette stratégie est basée sur une pré-compensation (loop shaping) faite à partir des systèmes linéarisés du système non-linéaire autour d'un petit nombre de points de fonctionnement en utilisant des compensateurs de structure simple (e.g. PID), et de plus en utilisant une compensation additionnelle/corrective type retour de sortie H1 statique. Les points de fonctionnement de la deuxième compensation sont calculés à l'aide d'un algorithme de choix de points de synthèse basé sur la connexion des théories de la gap métrique et de la commande H1 par loop shaping. La loi de commande globale non-linéaire séquencée est finalement obtenue en utilisant une interpolation de tous les gains des com-pensateurs impliqués pendant la phase de synthèse.<br />La méthode proposée ici est validée sur deux exemples d'application : le pilotage autour de l'axe de tangage d'un missile fortement manœuvrant et d'un véhicule de rentrée atmosphérique. Les deux autopilotes sont testés de façon intensive en utilisant des simulations non-linéaires, une analyse Monte Carlo et linéaire à temps figé afin de démontrer leurs excellentes caractéristiques en termes de performance et de robustesse.

Les principales contributions de cette thèse concernent le développement de méthodes pour la synthèse de contrôleurs et pour l'analyse de la stabilité des systèmes linéaires, soit variant ou invariant dans le temps. Concernant les systèmes invariant dans le temps, le but est la synthèse de contrôleurs robustes d'ordre réduit pour les systèmes en temps continu qui présentent des paramètres incertains. La méthode présentée pour la synthèse est basée sur une technique en deux étapes, o'u un gain de retour d'état est construit dans la première étape, et appliqué à la deuxième, fournissant le contrôleur robuste souhaité. Chaque étape consiste à la résolution de conditions sous la forme d'inégalités matricielles linéaires. Dans le cas des systèmes variant dans le temps, en général, en fonction des informations disponibles, deux modèles mathématiques peuvent être utilisés. D'un côté, pour des systèmes dont les éléments variant dans le temps sont bornés mais pas complètement connus, on peut utiliser des modèles dépendant de paramètres variants, ce qui donne une représentation polytopique. Dans ce cas là, la technique de stabilisation proposée est basée sur la méthode en deux étapes, pour générer des contrôleurs dépendants des paramètres. On suppose que les paramètres sont mesurables en ligne, et les contrôleurs sont synthétisés pour qu'ils soient robustes à des bruits de mesures. De l'autre côté, si les dynamiques variantes dans le temps sont connues, on peut traiter directement le système sans utiliser aucune paramétrisation. Deux techniques de synthèse sont proposées pour ce cas : la construction des gains stabilisants en utilisant directement la matrice de transition d'état, et une technique de synthèse conçue à partir d'un nouveau critère de vérification de la stabilité du système. La validité des méthodes proposées est illustrée par plusieurs exemples numériques, qui montrent la qualité des résultats qui peuvent être obtenus.

Dans ce travail, nous avons développé une approche systématique traitant un problème particulier dans le domaine de la commande non linéaire. Il concerne le fait d'assurer une transition stable entre deux points opérationnels d'un système non linéaire. Cette approche emploie la stratégie de séquencement de gain et la notion d'incertitude bornée en norme pour approximer un système non linéaire à travers une famille de systèmes linéaires incertains à incertitude bornée en norme. Autour d'un ensemble de points d'équilibre, des lois de commande locale sont déterminées en garantissant quelques spécifications de performances locales. Le séquencement est déterminé de sorte que la stabilité est garantie. Par interpolation polynômiale continue, une loi de commande continue est établie à partir des points d'équilibre trouvés hors ligne et des correcteurs associés. Une stratégie de commande séquencée par retour d'état ainsi qu'une stratégie par retour de sortie dynamique ont été envisagées. Dans le premier cas, la commutation est faite lorsque l'état se trouve dans le bassin d'attraction du point d'équilibre ultérieur visé. Dans le deuxième, nous avons déterminé une loi de commande par retour de sortie dynamique o'u la politique de commutation est basée sur les états éstimés. Quelques exemples ont été donnés pour montrer l'efficacité de la méthode proposée.

Un des objectifs de la vision par ordinateur consiste à extraire à partir d'un important volume de données brutes issues des images, celles qui s'avéreront pertinentes pour une exploitation ultérieure. Les primitives extraites de l'image sont communément de type contour, correspondant à des zones de transition objectivement visibles, et de type région, correspondant à des regroupements de pixels de l'image avec des caractéristiques d'homogénéité communes. Une nécessaire gestion de l'information est obtenue par la répartition de la tâche de segmentation au sein d'entités indépendantes, localisées de façon précise dans l'image, possédant chacune une primitive particulière à segmenter de type contour ou région, et construisant ces objets de manière incrémentale, c'est-à-dire pixel par pixel. L'originalité de l'approche réside dans la coopération instaurée entre la construction des contours et des régions. Les deux types de segmenteurs fonctionnent conjointement à l'étiquetage des pixels de l'image, sous une forme pseudo-parallèle, en tirant avantage de leurs atouts réciproques. Un détecteur de contour instancie de nouveaux détecteurs de régions de part et d'autre de son extrémité en construction, afin de valider son existence, tandis qu'un détecteur de régions instancie des détecteurs de contours à sa frontière, afin de borner son expansion. L'ensemble constitue un arbre d'entités de segmentation coopérantes, dépendant chacune les unes des autres, par filiation. Une telle approche permet une forte adaptation locale, puisque chaque primitive est détectée par une instance d'un détecteur générique, pouvant modifier ses paramètres internes indépendamment des autres instances. La coopération est réelle, puisqu'elle est intégrée au mécanisme de décision. L'implantation d'un séquenceur de tâches anonymes, permet enfin de simuler le pseudo-parallélisme, et repose grandement sur des mécanismes classiques réservés généralement au domaine des systèmes d'exploitation.

Les problèmes de séquencement et d'ordonnancement forment une famille de problèmes combinatoires qui implique la programmation dans le temps d'un ensemble d'opérations soumises à des contraintes de capacités et de ressources. Nous contribuons dans cette thèse à la résolution de ces problèmes dans un contexte de satisfaction de contraintes et d'optimisation combinatoire. Nos propositions concernent trois aspects différents: comment choisir le prochain nœud à explorer (recherche)? comment réduire efficacement l'espace de recherche (propagation)? et que peut-on apprendre des échecs rencontrés lors de la recherche (apprentissage)? Nos contributions commencent par une étude approfondie des heuristiques de branchement pour le problème de séquencement de chaîne d'assemblage de voitures. Cette évaluation montre d'abord les paramètres clés de ce qui constitue une bonne heuristique pour ce problème. De plus, elle montre que la stratégie de branchement est aussi importante que la méthode de propagation. Deuxièmement, nous étudions les mécanismes de propagation pour une classe de contraintes de séquencement à travers la conception de plusieurs algorithmes de filtrage. En particulier, nous proposons un algorithme de filtrage complet pour un type de contrainte de séquence avec une complexité temporelle optimale dans le pire cas. Troisièmement, nous investiguons l'impact de l'apprentissage de clauses pour résoudre le problème de séquencement de véhicules à travers une nouvelle stratégie d'explication réduite pour le nouveau filtrage. L'évaluation expérimentale montre l'importance de l'apprentissage de clauses pour ce problème. Ensuite, nous proposons une alternative pour la génération retardée de variables booléennes pour encoder les domaines. Finalement, nous revisitons les algorithmes d'analyse de conflits pour résoudre les problèmes d'ordonnancement disjonctifs. En particulier, nous introduisons une nouvelle procédure d'analyse de conflits dédiée pour cette famille de problèmes. La nouvelle méthode diffère des algorithmes traditionnels par l'apprentissage de clauses portant uniquement sur les variables booléennes de disjonctions. Enfin, nous présentons les résultats d'une large étude expérimentale qui démontre l'impact de ces nouveaux mécanismes d'apprentissage. En particulier, la nouvelle méthode d'analyse de conflits a permis de découvrir de nouvelle bornes inférieures pour des instances largement étudiées de la littérature / Sequencing and scheduling involve the organization in time of operations subject to capacity and resource constraints. We propose in this dissertation several improvements to the constraint satisfaction and combinatorial optimization methods for solving these problems. These contributions concern three different aspects: how to choose the next node to explore (search)? how much, and how efficiently, one can reduce the search space (propagation)? and what can be learnt from previous failures (learning)? Our contributions start with an empirical study of search heuristics for the well known car-sequencing problem. This evaluation characterizes the key aspects of a good heuristic and shows that the search strategy is as important as the propagation aspect in this problem. Second, we carefully investigate the propagation aspect in a class of sequencing problems. In particular, we propose an algorithm for filtering a type of sequence constraints which worst case time complexity is lower than the best known upper bound, and indeed optimal. Third, we investigate the impact of clause learning for solving the car-sequencing problem. In particular, we propose reduced explanations for the new filtering. The experimental evaluation shows compelling evidence supporting the importance of clause learning for solving efficiently this problem. Next, we revisit the general approach of lazy generation for the Boolean variables encoding the domains. Our proposition avoids a classical redundancy issue without computational overhead. Finally, we investigate conflict analysis algorithms for solving disjunctive scheduling problems. In particular, we introduce a novel learning procedure tailored to this family of problems. The new conflict analysis differs from conventional methods by learning clauses whose size are not function of the scheduling horizon. Our comprehensive experimental study with traditional academic benchmarks demonstrates the impact of the novel learning scheme that we propose. In particular, we find new lower bounds for a well known scheduling benchmark

Ce mémoire de thèse traite du développement des dynamiques et des lois de commande de vol d’un projectile d’artillerie gyrostabilisé guidé par une tête découplée. Un modèle non linéaire du projectile est proposé, et sert à calculer un modèle linéarisé de la dynamique de roulis du nez et un modèle q-LPV des chaînes de tangage et de lacet à paramètres fortement variants. Les incertitudes de modélisation sont prises en compte pour concevoir l’autopilote. Des propriétés importantes des projectiles gyrostabilisés, qui sont liées au couplage dynamique tangage/lacet, aux modes internes et à la stabilité, sont mises en valeur grâce au modèle q-LPV. En vue de l’utiliser pour calculer une loi de commande, la dimension de son vecteur des paramètres est réduite et la position des capteurs intégrés dans le nez est considérée. Un seul correcteur linéaire est suffisant pour la dynamique de l’angle de roulis du nez alors qu’une stratégie systématique de commande par séquencement de gains basée sur une linéarisation est élaborée séparément pour générer un correcteur séquencé des facteurs de charge de tangage et de lacet. Des structures de commande fixées d’ordre réduit sont conçues en appliquant la même approche de synthèse linéaire H∞ par façonnage de gain de boucle pour les axes de roulis et de tangage/lacet. De très bonnes propriétés de performance et de robustesse en boucle fermée, comparables à celles fournies par des correcteurs d’ordre plein, sont obtenues. Finalement, l’efficacité de l’autopilote augmenté d’une loi de guidage par navigation proportionnelle pure est vérifiée via de nombreuses simulations non linéaires de trajectoires. Ces dernières correspondent à des scénarios de vol nominaux d’interception de cibles balistiques, non balistiques immobiles, ou manœuvrantes, ainsi qu’à des scénarios considérant des perturbations sur les conditions de tir ou sur les dynamiques du projectile guidé / This thesis addresses the development of the flight dynamics and control laws for an artillery spin-stabilized projectile equipped with a decoupled guidance nose. A projectile nonlinear model is discussed, and it is used for computing a linearized model of the nose roll dynamics along with a q-LPV model of the highly parameter-varying pitch/yaw-dynamics. Modeling uncertainty is taken into account for autopilot design. Important properties specific to spin-stabilized projectiles, which are relevant to pitch/yaw-channel cross-coupling, internal modes and stability, are highlighted using the q-LPV model. In order to use the latter for calculating a control law, the dimension of its parameter vector is reduced and the position of the nose-embedded sensors is considered. A single linear controller is sufficient for the nose roll angle dynamics whereas a systematic linearization-based gain-scheduled control strategy is separately devised to provide a pitch/yaw-axis load factor gain-scheduled controller. Controllers of reduced-order fixed structures are computed by applying the same H∞ linear design loop-shaping approach for the roll and pitch/yaw-axes. Very good closed-loop performance and robustness properties, which are similar to those provided by full order controllers, are obtained. Finally, the effectiveness of the autopilot augmented by a pure proportional navigation guidance law is verified through a variety of nonlinear trajectory simulations. The latter correspond to nominal flight scenarios with ballistic, non-ballistic stationary, and maneuvering interception points, and to scenarios with perturbed launch conditions or guided projectile dynamics