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Formation flying of satellites describes a mission in which a set of satellites arrange their position with respect to one another. In this paper, satellite formation flying guidance and control algorithms are investigated in terms of required velocity increment Delta-v, and tracking error for a Chief/Deputy satellite system. Different control methods covering continuous and impulsive laws are implemented and tested for Low Earth Orbit (LEO). Sliding Mode, Feedback Linearization and Model Predictive Controllers are compared to an Impulsive Feedback Law which tracks the mean orbital element differences. Sliding Mode and Feedback Linearization controllers use the same dynamic model which includes Earth Oblateness perturbations. On the other hand, Model Predictive Control with Multi-Objective Cost Function is based on the Clohessy–Wiltshire equations, which do not account for any perturbation and do not cover the eccentricity of the orbit. The comparison was done for two different missions both including Earth Oblateness effects only. A relative orbit mission, which was based on the Prisma Satellite Mission and a rendezvous mission, was implemented. The reference trajectory for the controllers was generated with Yamanaka and Ankersen’s state transition matrix, while a separate method was used for the Impulsive Law. In both of the missions, it was observed that the implemented Impulsive Law outperformed in terms of Delta-v, 1.2 to 3.5 times smaller than the continuous control approaches, while the continuous controllers had a smaller tracking error, 2 to 8.3 times less, both in terms of root mean square error and maximum error in the steady state. Finally, this study shows that the tracking error and Delta-v has inversely proportional relationship. / Formationsflygning av satelliter innebär att en grupp satelliter flyger tillsammans och anpassar sina relativa lägen i förhållande till varandra. I detta examensarbete studerades regleralgoritmer för formationsflygande satelliter med fokus på bränsleförbrukning och positionsavvikelse genom ”Chief & Deputy”-metoden. Olika reglermetoder har studerats, t.ex. Sliding Mode- och Feedback Linearization-reglering för formationsflygningsfall i låg jordbana med J2-störning samt en Model Predictive-reglering för fall med relativ rörelse baserad på Clohessy-Wiltshire-ekvationerna. Vidare studerades en reglermetod baserad på impulsframdrivning. De fyra reglermetoderna implementerades på två olika rymduppdrag. Först ett uppdrag baserat på Prisma-satelliterna för två satelliter i relativ omloppsbana och sedan ett Rendezvous-uppdrag. Referensbanan för alla reglermetoder, utom för implusmetoden, har tagits fram med hjälp av Yamanakas och Ankersens tillståndsmatris. Resultaten visar att den implementerade impulsmetoden presterar bättre med avseende på bränsleförbrukning, medan de kontinuerliga reglermetoderna producerade mindre relativ positionsavvikelse, både med avseende på kvadratiskt medelvärde och maximalt värde.

L'objectif principal de cette thèse est l'étude de l'exploitation de systèmes moteurs-roues (machines électriques intégrées à la roue) pour le contrôle de la dynamique véhicule. Cette thèse est issue d'un co-financement (numéro 186-654, 2010-2013) entre le Laboratoire des Signaux et Systèmes (CNRS) et l'Institut Français du Pétrole et Énergies Nouvelles (IFPEN). Les avantages apportés par l'utilisation du moteur électrique sont avérés et de nouvelles techniques de contrôle sont développées pour optimiser son utilisation. Les lois de contrôle basent généralement sur la grandeur principale du moteur électrique: le couple transmis, qui peut être mesuré via le courant consommé. Une autre caractéristique importante du moteur électrique est son temps de réponse, avec le fait qu'il peut produire des couples négatifs, pour ralentir le véhicule, tout en stockant l'énergie. La nouveauté du présent travail est de considérer le moteur-roue électrique comme seul signal de contrôle dans des phases d'accélération et des phases de ralentissement, simplifiant l'architecture de la conception du véhicule et des lois de contrôle. Pour répondre à la demande conducteur tout en préservant un comportement sain du véhicule, des stratégies d'estimation de la limite d'adhérence seront présentées. En fonction de cette adhérence maximale disponible entre la route et les pneus, un couple adéquat sera calculé pour assurer un comportement stable dans des phases d'accélération aussi bien que de freinage. L'aspect critique étudié dans ce travail est la non-linéarité des caractéristiques d'interaction entre la route et le pneu et la complexité de son estimation dans des conditions variables. La stratégie d'estimation devra détecter tous les changements d'adhérence de route et la loi de contrôle calculée devra maintenir la stabilité véhicule même lorsque la friction maximale change. Certaines formes de perturbation et de bruit seront également prises en compte afin de tester la robustesse des approches d'estimation et de contrôle proposés. Parmi les systèmes de sécurité active les plus importants en phase d'accélération, le système de contrôle de traction (TCS) rétablit la traction si les roues commencent à patiner et le programme de stabilité électronique (ESP) intervient pour prévenir une perte menaçante du contrôle latéral du véhicule. Dans le cas du freinage, le système décisif est le système d'antiblocage (ou ABS), qui empêche le blocage des roues. On peut trouver d'autres systèmes embarqués, comme le système de distribution de force de freinage électronique (EBD), qui assure une distribution optimale de la force de freinage transmise aux roues, pour éviter de déraper et assure un ralentissement stable du véhicule. Les systèmes embarqués qui fournissent les estimations doivent être robustes aux bruits de mesure et aux perturbations. A fortiori, ces calculs doivent être faits en temps réel, donc une complexité réduite et une réponse rapide de la loi de contrôle sont nécessaires. Enfin, l'environnement dans lequel le véhicule fonctionne est dynamique, les caractéristiques d'adhérence peuvent varier en fonction de l'état de la route et de la météo. Ainsi, on ne peut prévoir les réactions du conducteur pouvant influencer la réponse globale du véhicule dans des situations d'urgence. Le contrôleur devrait prendre en compte tous ces aspects pour préserver un comportement stable du véhicule. Bien que le contrôle latéral du véhicule présente une importance majeure dans la stabilité globale du véhicule, le présent travail est concentré sur le contrôle longitudinal du véhicule, puisqu'il représente le point de départ de la dynamique véhicule. / The main objective of the present thesis focuses on the integration of the in-wheel electric motors into the conception and control of road vehicles. The present thesis is the subject of the grant 186-654 (2010-2013) between the Laboratory of Signals and Systems (L2S-CNRS) and the French Institute of Petrol and New Energies (IFPEN). The thesis work has originally started from a vehicular electrification project, equipped with in-wheel electric motors at the rear axle, to obtain a full electric urban use and a standard extra-urban use with energy recovery at the rear axle in braking phases. The standard internal combustion engines have the disadvantage that complex estimation techniques are necessary to compute the instantaneous engine torque. At the same time, the actuators that control the braking system have some delays due to the hydraulic and mechanical circuits. These aspects represent the primary motivation for the introduction and study of the integration of the electric motor as unique propelling source for the vehicle. The advantages brought by the use of the electric motor are revealed and new techniques of control are set up to maximize its novelty. Control laws are constructed starting from the key feature of the electric motor, which is the fact that the torque transmitted at the wheel can be measured, depending on the current that passes through the motor. Another important feature of the electric motor is its response time, the independent control, as well as the fact that it can produce negative torques, in generator mode, to help decelerate the vehicle and store energy at the same time. Therefore, the novelty of the present work is that the in-wheel electric motor is considered to be the only control actuator signal in acceleration and deceleration phases, simplifying the architecture of the design of the vehicle and of the control laws. The control laws are focused on simplicity and rapidity in order to generate the torques which are transmitted at the wheels. To compute the adequate torques, estimation strategies are set up to produce reliable maximum friction estimation. Function of this maximum adherence available at the contact between the road and the tires, an adequate torque will be computed in order to achieve a stable wheel behavior in acceleration as well as in deceleration phases. The critical issue that was studied in this work was the non-linearity of the tire-road interaction characteristics and its complexity to estimate when it varies. The estimation strategy will have to detect all changes in the road-surface adherence and the computed control law should maintain the stability of the wheel even when the maximum friction changes. Perturbations and noise are also treated in order to test the robustness of the proposed estimation and control approaches.

Made available in DSpace on 2017-07-10T17:11:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Mariana Uzeda2.pdf: 3273824 bytes, checksum: cb0d125fc8aae9dfe673029b5f5a30a5 (MD5) Previous issue date: 2014-08-29 / This work presents a comparative study between four different sliding mode variable structure control strategies (SMVSC) applied to autonomous underwater vehicles (AUV) positioning in 6 DOF, under the influence of wind, waves and marine currents. The addressed strategies are the conventional CEV-MD control based on Lyapunov stability, the CEV-MD control based on the equivalent control, the CEV-MD control based on the input-output stability and the CEVMD adaptive control. The accomplished comparisons seek a satisfactory tradeoff between the tracking performance and the closed-loop system stability in light of eliminating the chattering phenomenon. In that sense, the analysis and synthesis of the respective SMVSC control laws is carried out fromthe Lyapunov Stability Theory and the Barbalat s Lemma. As well as numerical simulations are implemented to obtaining the respective performances of each SMVSC control strategy presented. / Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre quatro diferentes estratégias de controle de estrutura variável por modos deslizantes (CEV-MD) aplicadas ao posicionamento de veículos subaquáticos autônomos (VSA) em 6 GDL, sob a influência de ventos, ondas e correntes marinhas. As estratégias abordadas são o controle CEV-MD convencional baseado na estabilidade de Lyapunov, o controle CEV-MD baseado no controle equivalente, o controle CEV-MD baseado na estabilidade entrada-saída e o controle CEV-MD adaptativo. As comparações realizadas visam a eliminação do do fenômeno do chattering buscando um compromisso satisfatório entre o desempenho de rastreamento e a estabilidade do sistema em laço fechado. Nesse sentido, a análise e síntese das respectivas leis de controle CEV-MD é realizada a partir da Teoria de Estabilidade de Lyapunov e do Lema de Barbalat. Assim como simulações numéricas são implementadas para a obtenção dos respectivos desempenhos de cada estratégia de controle CEV-MD apresentada.

The aim of the project is to design an active safety system forpassenger vehicles for mitigating secondary collisions after an initialimpact. The control objective is to minimize the lateral deviationfrom the known original path while achieving a safe heading angle afterthe initial collision. A hierarchical controller structure is proposed:the higher layer is formulated as a linear time varying model predictivecontroller that denes the virtual control moment input; the lowerlayer deploys a rule-based controller that realizes the requested moment.The designed control system is then tested and validated inSimulink as well as in IPG CarMaker, a high delity vehicle dynamicssimulator. / Syftet med projektet är att för personbilar designa ett aktivtsäkerhetssystem för att undvika följdkollisioner efter en första kollision.Målet är att minimera den laterala avvikelsen från den ursprungligafärdvägen och att samtidigt uppnå en säker kurs efter den första kollisionen.En hierarkisk regulatorstruktur föreslås. Det övre skiktet iregulatorn är formulerat som en linjär tidsvarierande modell prediktivkontroller som definierar den virtuella momentinmatningen. Det nedreskiktet använder en regelbaserad regulator som realiserar det begärdamomentet. Det konstruerade styrsystemet testades och validerades sedani Simulink samt i IPG CarMaker, en simulator med hög precisionför fordonsdynamik.

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.

Este trabalho aborda o problema de controle ótimo por modos deslizantes via função penalidade para sistemas de tempo discreto. Para resolver este problema será desenvolvido uma estrutura matricial alternativa baseada no problema de mínimos quadrados ponderados e funções penalidade. A partir desta nova formulação é possível obter a lei de controle ótimo por modos deslizantes, as equações de Riccati e a matriz do ganho de realimentação através desta estrutura matricial alternativa. A motivação para propormos essa nova abordagem é mostrar que é possível obter uma solução alternativa para o problema clássico de controle ótimo por modos deslizantes. / This work introduces a penalty function approach to deal with the optimal sliding mode control problem for discrete-time systems. To solve this problem an alternative array structure based on the problem of weighted least squares penalty function will be developed. Using this alternative matrix structure, the optimal sliding mode control law of, the matrix Riccati equations and feedback gain were obtained. The motivation of this new approach is to show that it is possible to obtain an alternative solution to the classic problem of optimal sliding mode control.

La qualité de la dérivation numérique en ligne d’un signal bruité joue un rôle primordial dans diverses applications touchant différents domaines (1D et 2D). Dans le travail présenté, nous nous sommes intéressés aux dérivateurs type "signal". Nos travaux s’inscrivent dans ce contexte et abordent des aspects théoriques et applicatifs. Du point de vue théorique, une étude de deux familles de dérivateurs a été effectuée. En premier lieu, nous avons étudié les dérivateurs de nature algébrique [travaux du projet INRIA-Non-A] et en deuxième lieu les différentiateurs modes glissants d’ordre supérieur [travaux de Levant]. Cette étude nous a permis de décrire les points forts et les points faibles de chacune de ces approches. Suite à cette étude, une nouvelle version des dérivateurs modes glissants a été proposée. Du point de vue applicatif, une première application dans le domaine 1D est présentée et qui consiste à utiliser le dérivateur proposé pour l’identification paramétrique en ligne d’un robot SCARA à deux axes. La méthode d’identification est validée expérimentalement par comparaison des résultats obtenus avec ceux donnés par d’autres méthodes (méthode en ligne et hors ligne). La deuxième application touche au domaine 2D. Dans ce cas, nous proposons l’application du différentiateur pour la détection des contours dans une image. Pour la validation des résultats, différents essais sont réalisés pour différents types de bruits. Une étude comparative avec des méthodes classiques est effectuée. Pour pouvoir tester l’efficacité du différentiateur dans des boucles de commande nous nous sommes intéressés aux systèmes électrohydrauliques. Le système physique étudié est un servo-vérin électrohydraulique à hautes performances ayant différents modes de fonctionnement. Après une succession d’hypothèses effectuées sur le modèle de simulation, des modèles de commande sont fournis. La dernière partie de ces travaux est dédiée à la synthèse de stratégie de commande via la technique du Backstepping pour le positionnement de l’axe électrohydraulique afin de tester l’efficacité l’algorithme proposé dans des boucles de commande. Comme base de comparaison, la version classique des algorithmes modes glissants est aussi utilisée. / The quality of the on-line differentiation with a noisy signal plays an important role in various applications involving different areas (1D and 2D). In the present work, we were interested particularly to differentiation method which requires a minimal knowledge on the noise and/or the input signal. Our work is registred in this context and address both aspects theoretical and applications. From the theoretical point of view, a study of two families of differentiation algorithm was performed. Firstly, we studied the algorithm based on the algebraic development [the work of the project INRIA-ALIEN] and secondly the differentiators of higher order sliding modes [work Levant] for detailed study. This study allowed us to describe the advantages and disadvantages of each approach. Following this study, a new version of sliding modes differentiator was proposed, this last one being the main theoretical contribution of this thesis. To test the efficiency of the proposed version, differents applications were carried out. The first application in 1D is shown, which consists in use the proposed differentiator for online parametric identification of a two-axis SCARA robot. The identification method is validated experimentally by comparing the results obtained with those given by other methods (method online and offline). The second application relates to the 2D domain. In this case, we propose the implementation of the differentiator for the edge detection in an image. To validate the results, various tests are carried out for different types of noise. In order to have some comparison basis, we use the filter Canny and Prewitt masks and the gradient. To test the effectiveness of the differentiator in control loops we are interested in electrohydraulic systems. For this, a model of the hydraulic and mechanical system is made. After a consideration of some assumptions on the simulation model, the control models are provided. To separate the dynamic servovalve/ actuator, a local study is performed. The last part of this work is dedicated to the synthesis of control strategy through the backstepping technique for the positioning of the electro-hydraulic axis in order to test the effectiveness of the proposed algorithm in the control loop. As a basis for comparison, the classic version of sliding mode algorithm is also used.

L'intégration des liaisons à courant continu dans les systèmes électriques permet d’accroitre les possibilités de pilotage des réseaux, ce qui permet d’en améliorer la sûreté et de raccorder de nouveaux moyens de production. Pour cela la technologie VSC-HVDC est de plus en plus plébiscitée pour interconnecter des réseaux non synchrones, raccorder des parcs éoliens offshore, ou contrôler le flux d’énergie notamment sur des longues distances au travers de liaisons sous-marines (liaison NorNed). Les travaux de cette thèse portent sur la modélisation, la commande non-linéaire et la stabilisation des systèmes VSC–HVDC, avec deux axes de travail. Le premier se focalise sur la conception et la synthèse des lois de commandes non-linéaires avancées basées sur des systèmes de structures variables (VSS). Ainsi, les commandes par modes glissants (SMC) et le suivi asymptotique de trajectoire des sorties (AOT) ont été proposées afin d’assurer un degré désiré de stabilité en utilisant des fonctions de Lyapunov convenables. Ensuite, la robustesse de ces commandes face à des perturbations et/ou incertitudes paramétriques a été étudiée. Le compromis nécessaire entre la robustesse et le comportement dynamique requis dépend du choix approprié des gains. Ces approches robustes, qui sont facile à mettre en œuvre, ont été appliquées avec succès afin d’atteindre des performances dynamiques élevées et un niveau raisonnable de stabilité vis-à-vis des diverses conditions anormales de fonctionnement, pour des longueurs différentes de liaison DC. Le deuxième vise à étudier l’influence de la commande du convertisseur VSC-HVDC sur l'amélioration de la performance dynamique du réseau de courant alternatif en cas d’oscillations. Après une modélisation analytique d’un système de référence constitué d’un groupe connecté à un convertisseur VSC-HVDC via un transformateur et une ligne, un contrôleur conventionnel simple PI est appliqué au niveau du convertisseur du système pour agir sur les oscillations rotoriques de la machine synchrone. Cette commande classique garantie une amélioration acceptable des performances dynamiques du système; surtout pour l'amortissement des oscillations de l'angle de puissance de la machine synchrone lors de défauts. / The integration of nonlinear VSC-HVDC transmission systems in power grids becomes very important for environmental, technical, and economic reasons. These systems have enabled the interconnection of asynchronous networks, the connection of offshore wind farms, and the control of power flow especially for long distances. This thesis aims the non-linear control and stabilization of VSC-HVDC systems, with two main themes. The first theme focuses on the design and synthesis of nonlinear control laws based on Variable Structure Systems (VSS) for VSC-HVDC systems. Thus, the Sliding Mode Control (SMC) and the Asymptotic Output Tracking (AOT) have been proposed to provide an adequate degree of stability via suitable Lyapunov functions. Then, the robustness of these commands has been studied in presence of parameter uncertainties and/or disturbances. The compromise between controller’s robustness and the system’s dynamic behavior depends on the gain settings. These control approaches, which are robust and can be easily implemented, have been applied to enhance the system dynamic performance and stability level in presence of different abnormal conditions for different DC link lengths. The second theme concerns the influence of VSC-HVDC control on improving the AC network dynamic performance during transients. After modeling the Single Machine via VSC-HVDC system in which the detailed synchronous generator model is considered, the conventional PI controller is applied to the converter side to act on damping the synchronous machine power angle oscillations. This simple control guarantees the reinforcement of the system dynamic performance and the power angle oscillations damping of the synchronous machine in presence of faults.

L’objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de diagnostic dans le cas d'une commande en vitesse sans capteur mécanique (vitesse/position) d’une machine asynchrone triphasée en présence de défaut d'ouverture des transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) de l’onduleur. Une étude de l’impact de ces défauts sur les performances de ces structures sans capteur mécanique en termes de stabilité et de robustesse des observateurs en mode dégradé est présentée. Un observateur par mode glissant (Sliding Mode Observer) à base de modèle est développé et validé expérimentalement en vue de la commande sans capteur mécanique de la machine asynchrone triphasée. Les signaux issus de l’observateur (approche modèle) sont utilisés conjointement avec ceux mesurés (approche signale) pour former une approche hybride de diagnostic de défauts des transistors IGBT de l’onduleur. Un observateur par mode glissant d’ordre 2 à base d’un algorithme Super-Twisting est ensuite développé en vue d’améliorer la stabilité et d’assurer la continuité de fonctionnement du système en présence d'un défaut afin de pouvoir appliquer une stratégie de commande tolérante aux défauts dans les meilleures délais et conditions de fonctionnement. / The main goal of this thesis is to propose diagnostic strategies in the case of a sensorless speed control of a three-phase induction motor under an opened-switch or opened-phase fault. A qualitative analysis of the performances, in terms of stability and robustness, of sensorless control applied to the electrical drive in pre-fault and post-fault operation modes is presented. A model-based sliding mode observer is developed and experimentally validated for sensorless speed control of three-phase induction motor. The signals issued from the observer (model approach) as well as the measured ones (signal approach) are simultaneously used to form a hybrid approach for inverter open-switch fault detection and identification. A second-order sliding mode observer based on Super-Twisting algorithm (STA) is also developed to improve the stability and to ensure the continuity of operation of the electrical drive especially during transient states induced by the fault, permitting thus to apply the reconfiguration step without losing the control