Stochastic processes with temporal delay play an important role in science and engineering whenever finite speeds of signal transmission and processing occur. However, an exact mathematical analysis of their dynamics and thermodynamics is available for linear models only. We introduce a class of stochastic delay processes with nonlinear time-local forces and linear time-delayed forces that obey fluctuation theorems and converge to a Boltzmann equilibrium at long times. From the point of view of control theory, such ‘equilibrium stochastic delay processes’ are stable and energetically passive, by construction. Computationally, they provide diverse exact constraints on general nonlinear stochastic delay problems and can, in various situations, serve as a starting point for their perturbative analysis. Physically, they admit an interpretation in terms of an underdamped Brownian particle that is either subjected to a time-local force in a non-Markovian thermal bath or to a delayed feedback force in a Markovian thermal bath. We illustrate these properties numerically for a setup familiar from feedback cooling and point out experimental implications.

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This work presents a research in the field of robotic visual telepresence. At the beginning explains the principle of teleprezence and it makes classification of robots according to their properties and concepts. Furthermore, there is a review of modern existing robots. The following chapter discusses the human visual system, the basic parameters and functions including parameters of head movements. Subsequently have been selected critical parameters for visual telepresence. At the conclusion of the theoretical part were designed some experiments to validation of human body biological parameters. In the practical part was conducted measuring the extent and speed of head movements, eye distinction depending on the lighting and measurement of visual field man. Also, a series of experiments was performed for practical technical embodiment of the telepresence system rescue robot for class Orpheus.

Dans cette thèse, nous considérons l'analyse et la commande H∞ de systèmes continus à retards commensurables par des méthodes fréquentielles. Nous étudions tout d'abord le comportement asymptotique des chaînes de pôles et donnons des conditions de stabilité pour des systèmes de type neutre possédant des chaînes de pôles asymptotiques à l'axe imaginaire. La même analyse est effectuée dans le cas de systèmes fractionnaires. Nous proposons ensuite une méthode numérique qui fournit l'ensemble des fenêtres de stabilité ainsi que le lieu des racines instables pour des systèmes classiques et fractionnaires. Cette première partie de la thèse, dédiée à l'analyse, se termine par une étude des courbes de stabilité d'une classe de systèmes à retards distribués. Dans la deuxième partie de la thèse, qui s'intéresse à la synthèse, nous commençons par déterminer des contrôleurs PID pour des systèmes fractionnaires à retards, à l'aide du théorème du petit gain. Enfin, utilisant la substitution de Rekasius, nous construisons un système de comparaison linéaire invariant dans le temps qui nous fournit des informations sur la stabilité et la norme H∞ de systèmes à retards classiques. Cette approche nous permet de mettre au point pour ces systèmes des contrôleurs à retour d'état ou de sortie, ainsi que des filtres linéaires. / This thesis addresses the H∞ analysis and control of continuous commensurate time-delay systems by frequential methods. First, the asymptotic behavior of the chains of poles are studied, and the conditions of stability for neutral systems with poles approaching the imaginary axis are given. The same analysis is done for fractional systems. In the sequel, a numerical method able to locate all the stability windows as well as the unstable root-locus for classical and fractional system is given. We conclude the analysis part by providing the stability crossing curves of a class of distributed delay system. Starting the synthesis part, we design PID controllers for unstable fractional systems using a small-gain theorem approach. Finally, using the Rekasius substitution, we construct a linear time invariant comparison system that allows us to get information about stability and H∞-norm for classical time-delay systems. Using this approach it is possible to design state and output feedback controllers, as well as linear filters for this class of systems.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse concernent des contributions à l’étude de stabilité des systèmes linéaires à retards avec contrôleurs d’ordre réduit. Cette mémoire est partagée en trois parties.La première partie est axée sur l’étude des systèmes linéaires à retard mono-entré /mono-sortie, bouclées avec un contrôleur de type PID. Inspiré par l’approche géométrique développée par Gu et al. Nous avons proposé une méthode analytique pour trouver la région (ou les régions) de tous les contrôleurs de type PID stabilisant pour le système à retard. Basée sur cette même approche, on a développé un algorithme pour calculer le dégrée de fragilité d’un contrôleur donné de type PID (PI, PD et PID).La deuxième partie de la thèse est axée sur l’étude de stabilité sous une approche NCS (pour son acronyme en anglais : Networked Control System). Plus précisément, nous avons d’abord étudié le problème de la stabilisation en tenant compte des retards induit par le réseau et les effets induits par la période d’échantillonnages. Pour mener une telle analyse nous avons adopté une approche basée sur la théorie des perturbations. Finalement, dans la troisième partie de la thèse nous abordons certains problèmes concernant le comportement des zéros d’une certaine classe de systèmes échantillonnés mono-entré /mono-sortie. Plus précisément, étant donné un système à temps continu, on obtient les intervalles d’échantillonnage garantissant l’invariance du nombre de zéros instables dans chaque intervalle. Pour développer cette analyse, nous adoptons une approche basée sur la perturbation aux valeurs propres. / The research work presented in this thesis concern to the stability analysis of linear time-delay systems with low-order controllers. This thesis is divided into three parts.The first part of the thesis focus on the study of linear SISO (single-input/single-output) systems with input/output delays, where the feedback loop is closed with a controller of PID-type. Inspired by the geometrical approach developed by Gu et al. we propose an analytical method to find the stability regions of all stabilizing controllers of PID-type for the time-delay system. Based on this same approach, we propose an algorithm to calculate the degree of fragility of a given controller of PID- type (PI, PD and PID).The second part of the thesis focuses on the stability analysis of linear systems under an NCS (Networked System Control) based approach. More precisely, we first focus in the stabilization problem by taking into account the induced network delays and the effects induced by the sampling period. To carry out such an analysis we have adopted an eigenvalue perturbation-based approach.Finally, in the third part of the thesis we tackle certain problems concerning to the behavior of the zeros of a certain class of sampled-data SISO systems. More precisely, given a continuous-time system, we obtain the sampling intervals guaranteeing the invariance of the number of unstable zeros in each interval. To perform such an analysis, we adopt an eigenvalue perturbation-based approach.

In recent years, there has been increasing interest in studying time-delayed coupled networks of oscillators since these occur in many real life applications. In many cases symmetry, patterns can emerge in these networks; as a consequence, a part of the system might repeat itself, and properties of this symmetric subsystem represent the whole dynamics. In this thesis, an analysis of a second order N-node time-delay fully connected network is made. This study is carried out using symmetry groups. The existence of multiple eigenvalues forced by symmetry is shown, as well as the possibility of uncoupling the linearization at equilibria, into irreducible representations due to the symmetry. The existence of steady-state and Hopf bifurcations in each irreducible representation is also proved. Three different models are used to analyze the network dynamics, namely, the full-phase, the phase, and the phase-difference model. A finite set of frequencies ω is also determined, which might correspond to Hopf bifurcations in each case for critical values of the delay. Although we restrict our attention to second order nodes, the results could be extended to higher order networks provided the time-delay in the connections between nodes remains equal. / Nos últimos anos, tem havido um crescente interesse em estudar redes de osciladores acopladas com retardo de tempo uma vez que estes ocorrem em muitas aplicações da vida real. Em muitos casos, simetria e padrões podem surgir nessas redes; em consequência, uma parte do sistema pode repetir-se, e as propriedades deste subsistema simétrico representam a dinâmica da rede toda. Nesta tese é feita uma análise de uma rede de N nós de segunda ordem totalmente conectada com atraso de tempo. Este estudo é realizado utilizando grupos de simetria. É mostrada a existência de múltiplos valores próprios forçados por simetria, bem como a possibilidade de desacoplamento da linearização no equilíbrio, em representações irredutíveis. É também provada a existência de bifurcações de estado estacionário e Hopf em cada representação irredutível. São usados três modelos diferentes para analisar a dinâmica da rede: o modelo de fase completa, o modelo de fase, e o modelo de diferença de fase. É também determinado um conjunto finito de frequências ω, que pode corresponder a bifurcações de Hopf em cada caso, para valores críticos do atraso. Apesar de restringir a nossa atenção para nós de segunda ordem, os resultados podem ser estendido para redes de ordem superior, desde que o tempo de atraso nas conexões entre nós permanece igual.

Ce travail de thèse concerne la synthèse des observateurs et des lois de commande des systèmes d’ordre fractionnaire. Le document présenté est constitué de 4 chapitres : Le premier chapitre du manuscrit de thèse contient une introduction, traitant les notions mathématiques de base et de stabilités des systèmes d’ordre fractionnaire ainsi qu’une présentation des différentes définitions. Les conditions de stabilités de ces systèmes et quelques exemples de systèmes modélisés par des équations différentielles fractionnaires sont présentés. Dans le deuxième chapitre, nous nous sommes intéressés à la conception de plusieurs types d’observateurs dits d’ordre réduit, d’ordre plein et des observateurs fonctionnels pour les systèmes d’ordre fractionnaire avec et sans retards. Dans le cas où il n’y a pas de retards dans la dynamique du système, des observateurs d’ordres plein et réduit ont été synthétisé afin d’assurer l’estimation des pseudo-états. Dans un deuxième temps, un observateur fonctionnel a été synthétisé dans le cas où le retard est présent dans la dynamique du système. Dans le chapitre 3, nous avons travaillé sur la synthèse d’observateur pour les systèmes d’ordre fractionnaire incertains. Nos contributions sont classées en trois grandes lignes : premièrement, quand le système considéré est affecté par des entrées inconnues, un observateur fonctionnel a été proposé. En deuxième partie, des observateurs H∞ pour les systèmes d’ordre fractionnaire avec et sans retards ont été synthétisés afin d’assurer la stabilité de l’erreur d’observation. Il s’agit en fait de garantir une borne du gain L2 entre l’erreur d’observation et les perturbations non mesurables affectant la dynamique du système : ce gain L2 est aussi appelé norme H∞. Ce chapitre présente aussi la synthèse d’un observateur robuste vis-à-vis des incertitudes de modélisation pour cette classe de systèmes. Les conditions suffisantes de convergence des erreurs d’estimations des pseudo-états obtenues sont établies sous la forme d’un ensemble d’inégalités matricielles LMIs. Le dernier chapitre du manuscrit est consacré à la commande basée sur les différents observateurs obtenus. Nous nous sommes intéressés à la commande basée sur un observateur pour les systèmes d’ordre fractionnaire. Cette commande est basée sur les observateurs proposés dans les chapitres précédents. Des conditions de stabilité et des procédures de synthèse sont présentées / This work focuses on the synthesis of observers and the controller laws for fractional order systems. The presented document consists of 4 chapters: The first chapter of the theses manuscript contains an introduction dealing with the basic mathematical notions and the stability analysis of fractional systems as well as a presentation of the different definitions. The stability conditions of these systems and some examples of systems modeled by fractional differential equations are presented. In the second chapter, we were interested in the design of several types of observers of reduced order, full order, and functional observers for fractional systems with and without delays. In the case where there are no delays in the dynamics of the system, observers of full and reduced orders have been synthesized in order to ensure the estimation of the pseudo-states. In a second step, a functional observer was synthesized in the case where the delay is present in the dynamics of the system. In Chapter 3, we worked on observer synthesis for uncertain fractional order systems. Our contributions are classified into three main lines: first, when the system under consideration is affected by unknown inputs, a functional observer has been proposed. In the second part, H∞ observers for fractional order systems with and without delays have been synthesized to ensure the stability of the estimation error. It is a question of guaranteeing a bound of the L2 gain between the observation error and the non-measurable perturbations affecting the dynamics of the system: this gain L2 is also called H∞ norm. In last part of this chapter, the synthesis of a robust observer with respect to modeling uncertainties for this class of systems is presented. The sufficient conditions of convergence of the estimation errors of the pseudo-states obtained are established in the form of a set of matrix inequalities LMIs. The last chapter of the manuscript is devoted to the command based on the different observers obtained. We were interested in observer-based control for fractional order systems. This command is based on the observers proposed in the previous chapters. Stability conditions and synthesis procedures are presented

En automatique, un observateur joue un rôle primordial dans la commande et la supervision des processus ou encore la détection de défauts, vu sa capacité à fournir des informations sur les valeurs des états non mesurés ou non disponibles. Dans ce contexte, cette thèse porte sur l'estimation non pas uniquement de l'état, mais aussi des paramètres inconnus affectant la dynamique du système de façon simultanée. Ce problème est traité pour des classes de systèmes non linéaires soumis à des retards constants et inconnus. Il représente un enjeu double, tant sur l'estimation conjointe de l'état et des paramètres inconnus, que dans la présence des retards qui affectent la dynamique des systèmes. Dans un premier temps, des observateurs fonctionnels robustes ont été développés pour des systèmes faisant intervenir des non linéarités état-commande et soumis à des retards. Le problème de la robustesse a été considérée, dans un premier temps, pour prendre en compte la présence de perturbations à énergie finie en faisant appel à la théorie Hinfini, et dans un second temps vis-à-vis d'incertitudes paramétriques affectant les paramètres du modèle du système à observer. Des conditions nécessaires et suffisantes pour l'existence des observateurs ont été données à travers la résolution d'équations de Sylvester. Cette résolution a permis de simplifier le problème avec le paramétrage des gains de l'observateur via un seul gain à déterminer. Comme l'étude de la convergence de l'observateur revient à étudier la stabilité de l'erreur d'estimation, la théorie de Lyapunov-Krasovskii dédiée à la stabilité des systèmes à retards a été utilisée en se basant sur une approche de type descripteur. Cette étude a permis d'aboutir à des conditions suffisantes de convergence asymptotique, exprimées sous forme de LMI. Tout au long du mémoire, la synthèse des observateurs a été considérée pour l'ordre plein et l'ordre réduit. Puis, les développements ont été étendus, au cas où on souhaite estimer l'état du système considéré simultanément avec certains paramètres inconnus affectant ce dernier. Deux pistes ont été étudiées à travers ce mémoire : lorsque le vecteur des paramètres inconnus agit linéairement par rapport à la dynamique du système et lorsque les paramètres inconnus agissent non linéairement par rapport à la dynamique du système. L'approche développée a permis d'étudier simultanément la convergence de l'état et des paramètres inconnus, ce qui a permis de relaxer certaines contraintes imposées lors de la synthèse des observateurs adaptatifs dans la littérature, notamment la contrainte d'excitation persistante considérée au niveau de la deuxième piste de recherche. Pour finir, les résultats obtenus ont été étendus à une classe de systèmes singuliers non linéaires, qui, outre les relations dynamiques, fait intervenir des relations algébriques / In automatic control reaserch fields, an observer plays a key role in the control and supervision of processes or the detection of faults, given its ability to provide information on the values of unmeasured or unavailable states. In this context, this thesis deals with the estimation not only of the state but also of the estimation of the unknown parameters affecting the dynamics of the system simultaneously with the state vector. In particular, the problem is addressed for classes of nonlinear systems subject to constant and unknown delays. This problem represents a dual challenge, both on joint estimation of unknown state and parameters, as well as the presence of delays that affect the system dynamics. First, functional observers were developed for systems subject to time delays and involving state-input nonlinearities. The problem of robustness was studied, initially, when some finite energy perturbations occured in the system dynamics, which required the H∞ theory in order to attenuate its effects. In a second time, it is treated when parametric uncertainties affect the model parameters. Necessary and sufficient conditions for the existence of observers have been given through the resolution of Sylvester's equations. This resolution made it possible to simplify the problem by setting the observer gains via a single gain to be determined. As the study of the observer's convergence returns to studying the stability of the estimation error, Lyapunov-Krasovskii theory dedicated to the stability of the delay systems was used based on the descriptor transformations. This study lead to sufficient conditions of a symptotic convergence, expressed in terms of LMI. Throughout the dissertation, the synthesis of observers was considered in full and reduced order cases. The developments were then extended to estimate the system states simultaneously with unknown parameters affecting its dynamics. Two approaches have been investigated through this memory: when the vector of the unknown parameters acts linearly with respect to the dynamics of the system and when the unknown parameters act nonlinearly with respect to this dynamics. The approach proposed in this work make it possible to simultaneously estimate the convergence of the state and unknown parameters, which made it possible to relax some constraints considered in the synthesis of adaptive observers in the literature. It concerns particularly the persistent excitation constraint considered in the second approach. Finally, the results obtained have been extended to the class of singular systems, which, in addition to the dynamic relations, involves algebraic relations in their description

Le contrôle des écoulements est un domaine en forte croissance visant à modifier un écoulement à l’aide d’actionneurs et d’algorithmes de contrôle. Un axe important du contrôle des écoulements est le contrôle des décollements car le décollement de la couche limite provoque des augmentations de traînée et donc des pertes énergétiques et des coûts en carburant. Cette thèse vise à développer des algorithmes de contrôles pour le recollement des écoulements à l’aide de jets pulsés. La première partie de cette thèse expose une technique d’identification de modèle basée sur des données expérimentales. Les modèles sont déduits de considérations physiques et de l’Automatique. Ils offrent une bonne correspondance aux données tout en restant simple et en contenant peu de coefficients. La seconde partie de cette thèse utilise ces modèles pour élaborer deux algorithmes de contrôle : le premier est un contrôle optimal en boucle ouverte et le second un contrôle robuste en boucle fermée. Ces algorithmes ont été implémentés sur diverses maquettes expérimentales (LML, ONERA, LAMIH) et leurs propriétés a été testée expérimentalement. Les tests ont été réalisés en utilisant un Arduino Uno pour les mesures et le calcul du contrôle, ce qui montre que la méthode développée est simple à appliquer et requiert peu de puissance de calcul / Flow control is a strongly growing field aiming at modifying fluid flows using actuators and control algorithms. An important part of flow control is the control of flow separation as boundary layer separation increases drag and therefore energy losses and fuel consumption. This thesis focuses on developing control algorithms for flow reattachment using pulsed jets actuators. The first part of this work develops a model identification technique based on experimental data. The models are derived from physical and control theory considerations. They provide a good fit to the data while remaining simple and using few coefficients. The second part of this work uses this models in order to design two different control algorithms : the first one is an optimal feedforward control while the second one is a robust feedback control. The control algorithms have been applied on several experimental setups (LML, ONERA, LAMIH) and their properties have been experimentally tested. The tests were conducted using a simple Arduino Uno for the measurements and computation of the control, showing that the developed method is easy to apply and requires very few computational resources

Made available in DSpace on 2016-04-29T13:17:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fernanda Cristina Marques.pdf: 1583337 bytes, checksum: 89fc35b70bc25acc6534461616827a7e (MD5) Previous issue date: 2013-06-05 / This study evaluated three procedures to teach single digit addition to three children diagnosed with Autism. It was intended to specifically compare a parallel design of independent variables for the three procedures including Constant Time Delay, Simultaneous Prompting and No-No Prompting. With the simultaneous model, a matching procedure was used to train the children to point to the sum (model) when given a field of three numbers to compare, one being the correct answer. Prior to teaching, a complete probe of all additions of all blocks was implemented to determine baseline levels. Then the children were taught three additions in each block for each procedure, ensuring that the number of training trials for all teaching sessions remained constant for each procedure in each session. Daily probes were also conducted, as they were considered the most effective to achieve 100% accuracy in three consecutive daily sessions. Results indicate that the Constant Time Delay procedure was the most effective for teaching two participants whereas Simultaneous Prompting was most effective for the other participant. Theses results also demonstrate the need for more comparative studies to further evaluate the optimal teaching procedure / Este estudo ensinou somas por meio dos procedimentos Atraso de Tempo Constante, Simultaneous Prompting e No-No Prompting para três crianças com diagnóstico de autismo. Utilizou-se o emparelhamento com o modelo simultâneo no qual as crianças foram treinadas a apontar o resultado de uma soma (modelo) quando apresentados três números comparação, sendo um deles a resposta correta. O presente estudo pretendeu comparar por meio de um delineamento de tratamento paralelo de variáveis independentes os três procedimentos. Foram ensinadas três somas em cada bloco para cada procedimento. O número de tentativas nas sessões de ensino permanecia o mesmo em cada sessão para cada procedimento. Antes do início do ensino era aplicada uma sonda completa composta por todas as somas de todos os blocos. Também foram realizadas sondas diárias. Considerava-se mais eficaz o procedimento de ensino que atingisse 100% de acertos em três sessões diárias consecutivas. Os resultados mostraram que o procedimento Atraso de Tempo Constante foi o mais efetivo para o ensino desta tarefa para dois participantes e o Simultaneous Prompting para um participante. Os resultados indicam a necessidade de mais estudos comparativos de procedimentos de ensino