Nous étudions dans cette thèse le problème de stabilisation de systèmes physiques par l'intermédiaire d'un réseau de communication induisant des retards de dynamique connue. Ce problème apparaît lorsque la loi de commande est mise en ouvre à distance et conduit au problème de la stabilisation d'un système instable en boucle ouverte avec un retard variant dans le temps. Nous utilisons un prédicteur d'état à horizon variable afin d'établir une loi de commande stabilisante qui place les pôles du système en boucle fermée. Le calcul de l'horizon de prédiction est détaillé afin d'établir un contrôleur qui utilise de manière explicite les dynamiques du retard et est robuste vis-à-vis d'erreurs d'estimation induites par le modèle de réseau utilisé.<br />Cette analyse de robustesse permet de prendre en compte les caractéristiques non déterministes du réseau. Nous proposons finalement une loi de commande basée sur un observateur pour le cas où seule la sortie est mesurable et considérons aussi le<br />cas de poursuite de trajectoire. Des simulations et résultats expérimentaux sont proposés.

L'énergie est une ressource clé dans les systèmes commandés en réseau, en particulier dans les applications concernant les réseaux sans fil. Cette thèse étudie comment économiser l'énergie dans les capteurs sans fil avec une co-Conception contrôle et communication. Cette thèse examine les techniques et les approches existantes qui sont utilisées pour économiser l'énergie d'un point de vue de la communication et du contrôle. Cet étude est organisée selon une architecture de communication par couches couvrant de bas en haut les couches Physique, Liaison, Réseau, et Application. Puis, à partir de la conclusion que la puce radio est un important consommateur d'énergie, une loi conjointe de gestion des modes radio et de contrôle en boucle fermée est établie. La gestion des modes radio exploite les capacités de la puce radio à communter dans des modes de basses consommation pour économiser l'énergie, et d'adapter la puissance de transmission aux conditions du canal. Il en résulte un système de contrôle basé sur des événements où le système fonctionne en boucle ouverte à certains moments. Un compromis naturel apparaît entre l'économie d'énergie et les performances de contrôle. La loi conjointe est établie avec une formulation de contrôle optimal utilisant la Programmation Dynamique. Cette thèse résout le problème optimal dans les deux cas d'horizon infini et fini. La stabilité du système en boucle fermée est étudiée avec la formulation Input-To-State Stability (ISS). La principale conclusion de cette thèse, également illustrée dans la simulation, est que la conception à travers différentes couches dans les systèmes commandés en réseau est essentielle pour économiser l'énergie dans les noeuds sans fil. / Energy is a key resource in Networked Control Systems, in particular in applications concerning wireless networks. This thesis investigates how to save energy in wireless sensor nodes with control and communication co-Design. This thesis reviews existing techniques and approaches that are used to save energy from a communication and a control point of view. This review is organized according to the layered communication architecture covering from bottom to top the Physical, Data Link, Network, and Application layers. Then, from the conclusion that the radio chip is an important energy consumer, a joint radio-Mode management and feedback law policy is derived. The radio-Mode management exploits the capabilities of the radio chip to switch to low consuming radio-Modes to save energy, and to adapt the transmission power to the channel conditions. This results in an event-Based control scheme where the system runs open loop at certain time. A natural trade-Off appears between energy savings and control performance. The joint policy is derived in the framework of Optimal Control with the use of Dynamic Programming. This thesis solves the optimal problem in both infinite and finite horizon cases. Stability of the closed loop system is investigated with Input-To-State Stability framework. The main conclusion of this thesis, also shown in simulation, is that cross-Layer design in Networked Control System is essential to save energy in the wireless nodes.

Cette thèse concerne la stabilisation exponentielle de systèmes commandés en réseaux (NCS en anglais) par retour de sortie. Les solutions proposées reposent sur un observateur distant et capable d'estimer l'état présent du processus malgré les différents retards générés par la présence du réseau. Le premier chapitre présente le contexte général des NCS et décrit plus particulièrement le problème étudié. Le chapitre suivant propose une architecture informatique permettant de réaliser un retour d'état distant basé sur une structure d'observateur. Deux autres chapitres proposent ensuite la synthèse d'un couple loi de commande / observateur garantissant des performances de convergence exponentielle. Les conditions correspondantes s'écrivent sous forme d'inégalités matricielles linéaires (LMI en anglais) et permettent donc une optimisation. Ces conditions sont basées sur la méthode des fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii et des résultats originaux sont proposés. Une première synthèse peut être effectuée globalement, une seconde permet d'adapter les performances dynamiques à la qualité de service disponible à chaque instant. La seconde approche fait intervenir des résultats originaux sur les systèmes à retards et à commutations. Dans un dernier chapitre, nous proposons une solution complètement asynchrone (gérée par événements). Dans ce cas, le problème des pertes de paquets devient crucial et nous y apportant une réponse. L'ensemble des résultats est confirmé par des expérimentations mises au point dans le cadre de ce travail, et correspondant à un robot léger commandé en temps réel à 40km de distance par Internet

Ce travail s'inscrit dans le cadre de l'évaluation de la sûreté de fonctionnement des systèmes commandés en réseau (SCR). La capacité des systèmes de commandes à compenser les effets de certaines défaillances de composants amène à redéfinir le concept de défaillances du système. La conséquence est que l'évaluation de la fiabilité prévisionnelle du système est dépendante de l'évaluation fonctionnelle et devient impossible avec les méthodes traditionnelles de la sûreté de fonctionnement. Pour surmonter ces difficultés, une approche basée sur la modélisation en vue de la simulation est proposée. Nous avons choisi les Réseaux d'activités stochastiques (SAN) largement connus dans la modélisation des protocoles de communication ainsi que dans les études de la sûreté de fonctionnement. Dans un premier temps, nous avons cherché à identifier l'incidence de deux types de défaillances fugitives : la perte d'un échantillon d'une part et le retard d'un échantillon dans la boucle de régulation d'autre part. Après, nous simulons le comportement en présence des deux types de perturbations simultanément, mettant en évidence des effets cumulatifs. Si on tient compte maintenant du fait que l'origine des pertes ou retards est due à la présence du réseau, il faut l'introduire dans le modèle. On introduit alors dans le modèle global du système la représentation SAN d'un réseau CAN et l'injection des défaillances dans celui-ci. La méthode de Monte Carlo est utilisée pour estimer les indicateurs de sûreté de fonctionnement et on montre l'influence de certains facteurs comme la charge du réseau par exemple. Nous avons proposé une méthode et les outils associés pour approcher cette évaluation par simulation et ainsi apporter une aide à la conception des systèmes satisfaisant à des exigences critiques sur certains paramètres de performance.

Cette thèse est dédiée à l'analyse de stabilité des systèmes à pas d'échantillonnage variable et à la commande dynamique de l'échantillonnage. L'objectif est de concevoir des lois d'échantillonnage permettant de réduire la fréquence d'actualisation de la commande par retour d'état, tout en garantissant la stabilité du système.Tout d'abord, un aperçu des récents défis et axes de recherche sur les systèmes échantillonnés est présenté. Ensuite, une nouvelle approche de contrôle dynamique de l'échantillonnage, "échantillonnage dépendant de l'état", est proposée. Elle permet de concevoir hors-ligne un échantillonnage maximal dépendant de l'état défini sur des régions coniques de l'espace d'état, grâce à des LMIs.Plusieurs types de systèmes sont étudiés. Tout d'abord, le cas de système LTI idéal est considéré. La fonction d'échantillonnage est construite au moyen de polytopes convexes et de conditions de stabilité exponentielle de type Lyapunov-Razumikhin. Ensuite, la robustesse vis-à-vis des perturbations est incluse. Plusieurs applications sont proposées: analyse de stabilité robuste vis-à-vis des variations du pas d'échantillonnage, contrôles event-triggered et self-triggered, et échantillonnage dépendant de l'état. Enfin, le cas de système LTI perturbé à retard est traité. La construction de la fonction d'échantillonnage est basée sur des conditions de stabilité L2 et sur un nouveau type de fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii avec des matrices dépendant de l'état. Pour finir, le problème de stabilisation est traité, avec un nouveau contrôleur dont les gains commutent en fonction de l'état du système. Un co-design contrôleur/fonction d'échantillonnage est alors proposé

Cette thèse concerne la stabilisation exponentielle de systèmes commandés en réseaux (NCS en anglais) par retour de sortie. Les solutions proposées reposent sur un observateur distant et capable d’estimer l’état présent du processus malgré les différents retards générés par la présence du réseau. Le premier chapitre présente le contexte général des NCS et décrit plus particulièrement le problème étudié. Le chapitre suivant propose une architecture informatique permettant de réaliser un retour d’état distant basé sur une structure d’observateur. Deux autres chapitres proposent ensuite la synthèse d’un couple loi de commande / observateur garantissant des performances de convergence exponentielle. Les conditions correspondantes s’écrivent sous forme d’inégalités matricielles linéaires (LMI en anglais) et permettent donc une optimisation. Ces conditions sont basées sur la méthode des fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii et des résultats originaux sont proposés. Une première synthèse peut être effectuée globalement, une seconde permet d’adapter les performances dynamiques à la qualité de service disponible à chaque instant. La seconde approche fait intervenir des résultats originaux sur les systèmes à retards et à commutations. Dans un dernier chapitre, nous proposons une solution complètement asynchrone (gérée par événements). Dans ce cas, le problème des pertes de paquets devient crucial et nous y apportant une réponse. L’ensemble des résultats est confirmé par des expérimentations mises au point dans le cadre de ce travail, et correspondant à un robot léger commandé en temps réel à 40km de distance par Internet / This PhD thesis is dedicated to the exponential output stabilization of linear NCS (Networked Control Systems). The studied solution is based on a remote observer which is able to estimate the present state of the plant despite the various network induced delays. These last are present in both the control and the measurement channels.The first chapter describes the problem and gives a survey on the NCS. The next chapter proposes a computer structure which realizes the remote, observer-based, state feedback controller. The following two chapters propose LMI conditions (Linear Matrix Inequalities) for the design of the observer-based remote controller. The second method of Lyapunov is used with the most up-to-date Lyapunov-Krasovskii functionals. The main objective of the design is to guarantee some performances expressed in the form of exponential stability. Then some enhancements of the control strategy are given. It consists in taking into account the Quality of Service (QoS) in the controller to get better guaranteed performances. The last contribution of this work is to consider the overall system as an event-driven system. It allows one to consider packet dropout problems in the network.The effectiveness of all presented results is demonstrated by real experiments implemented on a light robot controlled over the Internet

Ce travail s'inscrit dans le cadre de l'évaluation de la sûreté de fonctionnement des systèmes commandés en réseau (SCR). La capacité des systèmes de commandes à compenser les effets de certaines défaillances de composants amène à redéfinir le concept de défaillances du système. La conséquence est que l'évaluation de la fiabilité prévisionnelle du système est dépendante de l'évaluation fonctionnelle et devient impossible avec les méthodes traditionnelles de la sûreté de fonctionnement. Pour surmonter ces difficultés, une approche basée sur la modélisation en vue de la simulation est proposée. Nous avons choisi les Réseaux d'activités stochastiques (SAN) largement connus dans la modélisation des protocoles de communication ainsi que dans les études de la sûreté de fonctionnement. Dans un premier temps, nous avons cherché à identifier l'incidence de deux types de défaillances fugitives : la perte d'un échantillon d'une part et le retard d'un échantillon dans la boucle de régulation d'autre part. Après, nous simulons le comportement en présence des deux types de perturbations simultanément, mettant en évidence des effets cumulatifs. Si on tient compte maintenant du fait que l'origine des pertes ou retards est due à la présence du réseau, il faut l'introduire dans le modèle. On introduit alors dans le modèle global du système la représentation SAN d'un réseau CAN et l'injection des défaillances dans celui-ci. La méthode de Monte Carlo est utilisée pour estimer les indicateurs de sûreté de fonctionnement et on montre l'influence de certains facteurs comme la charge du réseau par exemple. Nous avons proposé une méthode et les outils associés pour approcher cette évaluation par simulation et ainsi apporter une aide à la conception des systèmes satisfaisant à des exigences critiques sur certains paramètres de performance / Achieved work in this thesis deals with dependability evaluation of networked controlled system (NCS). The ability of control system to offset the effects of some components’ failure leads to redefine the concept of system failure. Consequently the reliability evaluation is dependent on functional parameters and becomes impossible with traditional dependability methods. This work aims at bringing a contribution relative to this aspect. To overcome these difficulties, an approach based on both modelling and simulation is proposed. We choose to work with stochastic activity network (SAN) widely used in modelling communication protocols as well as in dependability studies. First we sought to identify the incidence of two types of transient faults: loss of samples and delay within the control loop. Next we simulate the behaviour in the presence of two types of disturbances at the same time highlighting the cumulative effects. In fact the origin of the loss or delay information inside the control loop is due to the presence of the network, this aspect must be taken into account, that is why we introduce a new model representing the Controller Area Network (CAN) and injection of possible perturbations. Monte-Carlo method is used to estimate dependability parameters showing the influence of some factors such as network load for example. We have proposed a method and associated tools to approach this evaluation by simulation and thus provide assistance in designing systems to meet requirements on certain performance parameters

Cette thèse est dédiée à l'analyse de stabilité des systèmes à pas d'échantillonnage variable et à la commande dynamique de l'échantillonnage. L'objectif est de concevoir des lois d'échantillonnage permettant de réduire la fréquence d'actualisation de la commande par retour d'état, tout en garantissant la stabilité du système.Tout d'abord, un aperçu des récents défis et axes de recherche sur les systèmes échantillonnés est présenté. Ensuite, une nouvelle approche de contrôle dynamique de l'échantillonnage, "échantillonnage dépendant de l'état", est proposée. Elle permet de concevoir hors-ligne un échantillonnage maximal dépendant de l'état défini sur des régions coniques de l'espace d'état, grâce à des LMIs.Plusieurs types de systèmes sont étudiés. Tout d'abord, le cas de système LTI idéal est considéré. La fonction d'échantillonnage est construite au moyen de polytopes convexes et de conditions de stabilité exponentielle de type Lyapunov-Razumikhin. Ensuite, la robustesse vis-à-vis des perturbations est incluse. Plusieurs applications sont proposées: analyse de stabilité robuste vis-à-vis des variations du pas d'échantillonnage, contrôles event-triggered et self-triggered, et échantillonnage dépendant de l'état. Enfin, le cas de système LTI perturbé à retard est traité. La construction de la fonction d'échantillonnage est basée sur des conditions de stabilité L2 et sur un nouveau type de fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii avec des matrices dépendant de l'état. Pour finir, le problème de stabilisation est traité, avec un nouveau contrôleur dont les gains commutent en fonction de l'état du système. Un co-design contrôleur/fonction d'échantillonnage est alors proposé / This PhD thesis is dedicated to the stability analysis of sampled-data systems with time-varying sampling, and to the dynamic control of the sampling instants. The main objective is to design sampling laws that allow for reducing the sampling frequency of state-feedback control for linear systems while ensuring the system's stability.First, an overview of the recent problems, challenges, and research directions regarding sampled-data systems is presented. Then, a novel dynamic sampling control approach, "state-dependent sampling", is proposed. It allows for designing offline a maximal state-dependent sampling map over conic regions of the state space, thanks to LMIs.Various classes of systems are considered throughout the thesis. First, we consider the case of ideal LTI systems, and propose a sampling map design based on the use of polytopic embeddings and Lyapunov-Razumikhin exponential stability conditions. Then, the robustness with respect to exogenous perturbations is included. Different applications are proposed: robust stability analysis with respect to time-varying sampling, as well as event-triggered, self-triggered, and state-dependent sampling control schemes. Finally, a sampling map design is proposed in the case of perturbed LTI systems with delay in the feedback control loop. It is based on L2-stability conditions and a novel type of Lyapunov-Krasovskii functionals with state-dependent matrices. Here, the stabilization issue is considered, and a new controller with gains that switch according to the system's state is presented. A co-design controller gains/sampling map is then proposed