Ce travail concerne l'identification, l'estimation et la commande sans capteur mécanique de MSAP. Dans un premier temps, la modélisation du MSAP est réalisée dans le repère fixe a-b. Ce modèle est ensuite réécrit dans le repère d-q, couramment utilisé pour les machines tournantes et un nouveau repère f-g, avantageux dans le cadre d'applications sans capteur. Afin de valider le modèle expérimentalement, une identification par moindres carrés hors ligne avec capteurs, a été réalisée. Une approche similaire a été appliquée au moteur en enlevant la dépendance des capteurs mécaniques dans le repère f-g. Sachant que les lois de commande sans capteur dépendent fortement des paramètres, il a été est important de tous les identifier sans la présence de capteurs mécaniques. La synthèse de la commande a été réalisée à l’aide des modes glissants d'ordre deux et garantit la stabilité malgré des perturbations interne ou externe. Un observateur permettant d'estimer l'accélération, nécessaire pour calculer la variable de glissement, a été réalisé. Les expérimentations ont donné de très bons résultats. Basée sur les tensions et les courants, la réalisation d’observateurs par mode glissant, permet de supprimer les capteurs mécaniques. Les estimations de la position et de la vitesse sont alors utilisables dans la commande. Bien que la vitesse atteinte sans capteur soit inférieure à la vitesse atteinte avec capteurs, le suivi de trajectoire a une bonne précision.Finalement, des algorithmes d'identification des paramètres en ligne avec capteurs ont été développés. L'identification à l'aide de la méthode algébrique comparée à celle effectuée par modes glissants / This work deals with sensorless identification, estimation and control for PMSM.In a first phase, the PMSM modelling is realized in the fix a-b frame. This model is then rewritten in the d-q frame, commonly used for rotating machine and a new frame called f-g, advantageous in sensorless applications. It presents similar properties than the d-q frame, without the use of mechanical sensor. In order to experimentally validate the model, an identification using off-line least squares algorithm in the presence of sensors, is performed. This approach provides a set of nominal parameters. A similar procedure is applied to the motor without mechanical sensors in the f-g frame. Since the sensorless control laws are highly dependent on the parameters, it is important to be able to identify the parameters without mechanical sensor. The control design is realized based on second order sliding mode, it ensures the stability despite parametric uncertainties or external perturbations. A sliding mode observer is designed to estimate the acceleration, necessary to compute the sliding variable. Based on voltages and currents, the design of observers allows removing the mechanical sensors. The position and velocity estimation are then used for the control. The experimental results are very promising. Although the reached velocity is lower than the velocity reached using sensors, the trajectory tracking provides a good accuracy of the trajectory tracking. Finally, on-line parameters identification algorithms have been developed. The identification using algebraic method compared to the one realized with sliding modes

Au cours de la dernière décennie, l’industrie des véhicules aériens sans pilote (UAV) a connu une croissance et une diversification immenses. De nos jours, nous trouvons des applications basées sur les drones dans un large éventail d’industries, telles que les infrastructures, l’agriculture, les transports, etc. Ce phénomène a suscité un intérêt croissant dans le domaine de la manipulation aérienne. La mise en œuvre de manipulateurs aériens dans l'industrie des UAV pourrait générer une augmentation significative du nombre d'applications possibles. Cependant, la restriction de la charge utile disponible est l’un des principaux inconvénients de cette approche. L'impossibilité d'équiper les drones de bras robotiques industriels puissants et habiles a suscité l'intérêt pour le développement de manipulateurs légers adaptés à ces applications. Dans le but de fournir une solution légère alternative aux manipulateurs aériens, cette thèse propose un bras robotique léger actionné par des fils en alliage à mémoire de forme (SMA). Bien que les fils SMA représentent une excellente alternative aux actionneurs conventionnels pour les applications légères, ils impliquent également une dynamique hautement non linéaire, ce qui les rend difficiles à contrôler. Cherchant à présenter une solution pour la tâche difficile de contrôler les fils SMA, ce travail étudie les conséquences et les avantages de la mise en œuvre des techniques de commande par retour d’état. L'objectif final de cette étude est la mise en œuvre expérimentale d'un contrôle à rétroaction d'état pour la régulation de la position du bras robotique léger proposé. Tout d'abord, un modèle mathématique basé sur un modèle physique du comportement des câbles SMA est développé et validé expérimentalement. Ce modèle décrit la dynamique du bras robotique léger proposé du point de vue de la mécatronique. Le bras robotique proposé est testé avec trois contrôleurs de retour de sortie pour le contrôle de position angulaire, à savoir un PID, un mode coulissant et une commande adaptative. Les contrôleurs sont testés dans une simulation MATLAB, puis mis en œuvre et testés expérimentalement selon différents scénarios. Ensuite, afin de réaliser la mise en œuvre expérimentale d’une technique de commande par retour d’état, un observateur d’état, à entrée inconnue, est développé. Premièrement, un modèle observable sans commutation avec une entrée inconnue est dérivé du modèle présenté précédemment. Ce modèle prend comme entrée inconnue le taux de fraction de martensite du modèle d'origine, ce qui permet d'éliminer les termes de commutation dans le modèle. Ensuite, un observateur, à entrées inconnues, basé sur le filtre de Kalman étendu et sur l’observateur à mode glissant est développé. Cet observateur permet l’estimation simultanée de l’état et des entrées inconnues. Les conditions suffisantes de convergence et de stabilité sont établies. L'observateur est testé dans une simulation MATLAB et validé expérimentalement dans différents scénarios. Enfin, une technique de commande par retour d’état est testée en simulation et implémentée de manière expérimentale pour le contrôle de position angulaire du bras robotique léger proposé. Elle est basée sur la résolution d’une équation de Riccati (SDRE). En conclusion, une analyse comparative quantitative et qualitative entre une approche de commande par retour de sortie et la une de commande par retour d’état mis en œuvre est effectuée selon plusieurs scénarios, y compris la régulation de position, le suivi de position et le suivi de charges utiles changeantes. / In the last decade, the industry of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) has gone through immense growth and diversification. Nowadays, we find drone based applications in a wide range of industries, such as infrastructure, agriculture, transport, among others. This phenomenon has generated an increasing interest in the field of aerial manipulation. The implementation of aerial manipulators in the UAV industry could generate a significant increase in possible applications. However, the restriction on available payload is one of the main setbacks of this approach. The impossibility to equip UAVs with heavy dexterous industrial robotic arms has driven the interest in the development of lightweight manipulators suitable for these applications. In the pursuit of providing an alternative lightweight solution for the aerial manipulators, this thesis proposes a lightweight robotic arm actuated by Shape Memory Alloy (SMA) wires. Although SMA wires represent a great alternative to conventional actuators for lightweight applications, they also imply highly nonlinear dynamics, which makes them difficult to control. Seeking to present a solution for the challenging task of controlling SMA wires, this work investigates the implications and advantages of the implementation of state feedback control techniques. The final aim of this study is the experimental implementation of a state feedback control for position regulation of the proposed lightweight robotic arm. Firstly, a mathematical model based on a constitutive model of the SMA wire is developed and experimentally validated. This model describes the dynamics of the proposed lightweight robotic arm from a mechatronics perspective. The proposed robotic arm is tested with three output feedback controllers for angular position control, namely a PID, a Sliding Mode and an Adaptive Controller. The controllers are tested in a MATLAB simulation and finally implemented and experimentally tested in various different scenarios. Following, in order to perform the experimental implementation of a state feedback control technique, a state and unknown input observer is developed. First, a non-switching observable model with unknown input of the proposed robotic arm is derived from the model previously presented. This model takes the martensite fraction rate of the original model as an unknown input, making it possible to eliminate the switching terms in the model. Then, a state and unknown input observer is proposed. This observer is based on the Extended Kalman Filter (EKF) for state estimation and sliding mode approach for unknown input estimation. Sufficient conditions for stability and convergence are established. The observer is tested in a MATLAB simulation and experimentally validated in various different scenarios. Finally, a state feedback control technique is tested in simulation and experimentally implemented for angular position control of the proposed lightweight robotic arm. Specifically, continuous and discrete-time State-Dependent Riccati Equation (SDRE) control laws are derived and implemented. To conclude, a quantitative and qualitative comparative analysis between an output feedback control approach and the implemented state feedback control is carried out under multiple scenarios, including position regulation, position tracking and tracking with changing payloads.

Dans ce travail de thèse, réalisé dans le cadre d'une bourse CIFRE entre le laboratoire ECS-Lab et l'entreprise GS Maintenance, nous nous sommes intéressés au contrôle et à l'observation des systèmes électriques, particulièrement les convertisseur multicellulaires séries et les moteurs à courant continu série.Dans la topologie des convertisseurs multicellulaires il est nécessaire d'équilibrer les tensions des condensateurs flottants à des valeurs spécifiques. Les techniques de commande par Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI) permettent cet équilibrage, mais favorisent les dynamiques lentes. De plus, si le nombre de cellules est non premier, il existe des rapport cycliques qui déstabilisent le convertisseur. Afin de pallier à ces inconvénients, dans la première partie de la thèse des commandes directes basées sur les modes glissants sont proposées pour le convertisseur multicellulaire série à deux et trois cellules. Ces commandes sont simples et permettent une dynamique rapide, pouvant être étendues à des convertisseurs à nombre de cellules quelconque. Ces commandes sont testées en simulation et expérimentalement via un système temps réel dSpace sur un convertisseur multicellulaire à deux et trois cellules réalisé au cours de cette thèse au sein du laboratoire ECS-Lab. Il est important de souligner qu'une version industrielle du convertisseur a été réalisée au sein de l'entreprise GS Maintenance et vendue à l'Université du Qatar.Par ailleurs, dans le cadre de l'application du convertisseur multicellulaire une commande par modes glissants de type Zig-Zag est proposée pour pallier aux problèmes de quantification et saturation des actionneurs.La deuxième partie du travail a été consacrée à la synthèse d'un observateur/estimateur de type super-twisting pour estimer la vitesse d'un moteur à courant continu série sans capteur mécanique. La stratégie d'observation proposée est dédiée à une application industrielle qui concerne le forage pétrolier. Elle permet d'apporter une solution au problème d'observation généré par le fonctionnement à zéro ou faible courant. Cette stratégie a été testée sur un banc expérimental développé au cours de cette thèse au sein de l'entreprise GS Maintenance. / In this thesis , conducted in the context of a grant CIFRE between laboratory ECS-Lab and the company GS Maintenance, we focused on the control and observation of electrical systems, particularly multicellular converter series and the series DC motor.The floating voltages of the multicell topology need to be balanced to specific values. PWM control techniques provide such a balance but favor the slow dynamics. Moreover, if the numbers of cells is not prime, there exist duty-cycles which could destabilize the converter. To overcome these drawbacks, we propose direct control strategies based on sliding mode techniques for 2 and 3-cell converters. These are simple, allow fast dynamics, and can be easily extended to any number of cell with little overhead. They have been tested in simulation and experimentally via a real-time dSpace board on a 2 and 3-cell converter develloped during this thesis at ECS-Lab. It is important to emphasize that an industrial version of the converter has been manufactured at GS Maintenance and sold to Qatar University.Moreover, in the context of the appication of multicell converters, a Zig-Zag sliding mode control law has been proposed to overcome quantization and saturation problems found in real actuators.The second part of this work adresses the synthetization of an super-twistign observer/estimator scheme to estimate the speed of a sensorless DC series motor. The proposed observation strategy is dedicated to an industrial application in the context of oil drilling. It provides a solution to the problem of observation generated by operating at zero or low current. This strategy has been tested on an experimental bench developed in this thesis within GS Maintenance.

The present thesis employs ideas of set invariance and sliding modes in order to deal with different relevant problems control of nonlinear systems. Initially, it reviews the techniques of set invariance as well as the more relevant results about sliding modes control. Then the main methodologies used are presented: sliding mode reference conditioning, second order sliding modes and continuous approximation of sliding modes. Finally, the methodologies are applied to different problems in control theory and to a variety of biologically inspired applications. The contributions of the thesis are: The development of a method to coordinate dynamical systems with different dynamic properties by means of a sliding mode auxiliary loop shaping the references given to the systems as function of the local and global goals, the achievable performance of each system and the available information of each system. Design methods for second order sliding mode algorithms. The methods decouple the problem of stability analysis from that of finite-time convergence of the super-twisting sliding mode algorithm. A nonlinear change of coordinates and a time-scaling are used to provide simple, yet flexible design methods and stability proofs. Application of the method to the design of finite-time convergence estimators of bioprocess kinetic rates and specific biomass growth rate, from biomass measurements. Also the estimators are validated with experimental data. The proposal of a strategy to reduce the variability of a cell-to-cell communication signal in synthetic genetic circuits. The method uses set invariance and sliding mode ideas applied to gene expression networks to obtain a reduction in the variance of the communication signal. Experimental approaches available to modify the characteristics of the gene regulation function are described. / Vignoni, A. (2014). Invariance and Sliding Modes. Application to coordination of multi-agent systems, bioprocesses estimation, and control in living cells [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/37743 / Alfresco

[ES] En esta tesis de doctorado se utiliza el modelado matemático de zonas térmicas para evaluar la capacidad del control en modos deslizantes, para regular la temperatura interna de un caso de estudio. Se utiliza la técnica de parámetros agrupados para representar los espacios cerrados, que al ser complementada con mediciones experimentales y algoritmos de optimización, permitió construir un simulador para reproducir con una precisión de más del 97% las condiciones del modelo estudiado, y que permitió estudiar el sistema en general mientras se introducen perturbaciones o variaciones en los parámetros del modelo. Inicialmente se utilizaron modelos de escala reducida para caracterizar el efecto termo-aislante de la solución Thermo Skold sobre la temperatura interna, se caracterizó el efecto de la pintura sobre cada uno de los parámetros de transmisión de calor del caso de estudio, lo que permitió entender los ahorros y resultados obtenidos experimentalmente. Posteriormente, se utilizaron los modelos de escala reducida para evaluar la técnica de control en modos deslizantes, por lo que se modeló, simuló y veri ficó experimentalmente la efectividad de la técnica para mantener una temperatura de referencia ja, con un error inferior al 2 %. En la etapa final de la tesis se utilizó un domo geodésico como caso de estudio, el cual fue modelado con un circuito eléctrico propuesto para sus características específi cas. Se realizaron medidas experimentales de las condiciones térmicas del domo geodésico, con las cuales se ajustó el simulador utilizando el algoritmo de optimización Búsqueda de Patrones. Gracias al simulador desarrollado se estudiaron las condiciones de confort térmico y las necesidades de refrigeración del domo, considerando diferentes situaciones y cargas internas por ocupantes y sistemas de refrigeración. / [EN] In this doctoral thesis, the mathematical modeling of thermal zones is used to evaluate the ability of the control in sliding modes, to regulate the internal temperature of a case study. The grouped parameters technique is used to represent the closed spaces, which, when complemented with experimental measurements and optimization algorithms, allowed the construction of a simulator to reproduce the conditions of the model studied with an accuracy of more than 97 %, which allowed studying the system in general while introducing disturbances or variations in the model parameters. Initially, reduced-scale models were used to characterize the thermal insulating effect of the Thermo Skold solution on the internal temperature. The impact of the painting on each one of the heat transfer parameters was studied, which allowed us to understand the savings and results obtained experimentally. Subsequently, the reduced scale models were used to evaluate the control technique in sliding modes, so the effectiveness of the technique was modeled, simulated and verified experimentally to maintain a fixed reference temperature, with an error of less than 2%. In the final stage of the thesis, a geodesic dome was used as a case study, which was modeled with an electrical circuit proposed for its specific characteristics. Experimental measurements of the thermal conditions of the geodesic dome were made, with which the simulator was adjusted using the Pattern Search optimization algorithm. Thanks to the simulator developed, the thermal comfort conditions and the cooling needs of the dome were studied, considering different situations and internal loads by occupants and cooling systems. / [CA] En aquesta tesi de doctorat s'utilitza el modelatge matemàtic de zones tèrmiques per avaluar la capacitat de l'control en maneres lliscants, per regular la temperatura interna d'un cas d'estudi. S'utilitza la tècnica de paràmetres agrupats per representar els espais tancats, que a l'ésser complementada amb mesuraments experimentals i algoritmes d'optimització, va permetre construir un simulador per reproduir amb una precisió de més de l' 97 % les condicions de el model estudiat, i que va permetre estudiar el sistema en general mentre s'introdueixen pertorbacions o variacions en els paràmetres de el model. Inicialment es van utilitzar models d'escala reduïda per caracteritzar l'efecte termo-aïllant de la solució Thermo Skold sobre la temperatura interna, es va caracteritzar l'efecte de la pintura sobre cadascun dels paràmetres de transmissió de calor de l' cas d'estudi, el que va permetre entendre els estalvis i resultats obtinguts experimentalment. Posteriorment, es van utilitzar els models d'escala reduïda per avaluar la tècnica de control en maneres lliscants, de manera que es va modelar, simular i va verificar experimentalment l'efectivitat de la tècnica per mantenir una temperatura de referència fixa, amb un error inferior a el 2 % . En l'etapa final de la tesi es va utilitzar un dom geodèsic com a cas d'estudi, el qual va ser modelat amb un circuit elèctric proposat per les seves característiques especifiques. Es van realitzar mesures experimentals de les condicions tèrmiques de l'dom geodèsic, amb les quals es va ajustar el simulador utilitzant l'algoritme d'optimització Cerca de Patrons. Gràcies a el simulador desenvolupat es van estudiar les condicions de confort tèrmic i les necessitats de refrigeració de la cúpula, considerant diferents situacions i càrregues internes per ocupants i sistemes de refrigeració. / Al programa de becas de doctorados nacionales convocatoria 727 de Colciencias, por todos los recursos aportados durante el desarrollo de mis estudios. Finalmente, a la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales y a la Universidad Politècnica de Valencia, que con sus programas de doctorado en ingeniería automática y matemáticas aplicadas contribuyeron en mi formación como investigador. / Florez Montes, F. (2020). Análisis dinámico del confort en edificios con estrategias de control adaptativo en modos deslizantes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153803 / TESIS