Cette thèse propose une nouvelle approche de détection de défauts pour des systèmes linéaires soumis à des incertitudes par intervalles, des perturbations et des bruits de mesures bornés. Dans ce contexte, la détection de défauts est fondée sur une estimation ensembliste de l'état du système. Les contributions de cette thèse concernent trois directions principales :- La première partie propose une méthode d'estimation d'état ensembliste améliorée combinant l'estimation à base des zonotopes (qui offre une bonne précision) et l'estimation à base d'ellipsoïdes (qui offre une complexité réduite).- Dans la deuxième partie, une nouvelle approche d'estimation d'état ellipsoïdale fondée sur la minimisation du rayon de l'ellipsoïde est développée. Dans ce cadre, des systèmes multivariables linéaires invariants dans le temps, ainsi que des systèmes linéaires variants dans le temps ont été considérés. Ces approches, résolues à l'aide de problèmes d'optimisation sous la forme d'Inégalités Matricielles Linéaires, ont été étendues au cas des systèmes soumis à des incertitudes par intervalles.- Dans la continuité des approches précédentes, deux techniques de détection de défauts ont été proposées dans la troisième partie utilisant les méthodes d'estimation ensemblistes. La première technique permet de détecter des défauts capteur en testant la cohérence entre le modèle et les mesures. La deuxième technique fondée sur les modèles multiples permet de traiter simultanément les défauts actionneur/composant/capteur. Une commande prédictive Min-Max a été développée afin de déterminer la commande optimale et le meilleur modèle à utiliser pour le système, malgré la présence des différents défauts. / This thesis proposes a new Fault Detection approach for linear systems with interval uncertainties, bounded perturbations and bounded measurement noises. In this context, the Fault Detection is based on a set-membership state estimation of the system. The main contributions of this thesis are divided into three parts:- The first part proposes an improved method which combines the good accuracy of the zonotopic set-membership state estimation and the reduced complexity of the ellipsoidal set-membership estimation.- In the second part, a new ellipsoidal state estimation approach based on the minimization of the ellipsoidal radius is developed, leading to Linear Matrix Inequality optimization problems. In this context, both multivariable linear time-invariant systems and linear time-variant systems are considered. An extension of these approaches to systems with interval uncertainties is also proposed. - In the continuity of the previous approaches, two Fault Detection techniques have been proposed in the third part based on these set-membership estimation techniques. The first technique allows to detect sensor faults by checking the consistency between the model and the measurements. The second technique is based on Multiple Models. It deals with actuator/component/sensor faults in the same time. A Min-Max Model Predictive Control is developed in order to find the optimal control and the best model to use for the system in spite of the presence of these faults.

La problématique traitée dans cette thèse vise à développer une stratégie efficace de détection et de classification des impacts en présence d'incertitudes de modélisation du robot et de son environnement et en utilisant un nombre minimal de capteurs, notamment en l'absence de capteur d’effort.La première partie de la thèse porte sur la détection d'un impact pouvant avoir lieu à n'importe quel endroit du bras robotique et à n'importe quel moment de sa trajectoire. Les méthodes de détection d’impacts sont généralement basées sur un modèle dynamique du système, ce qui les rend sujettes au compromis entre sensibilité de détection et robustesse aux incertitudes de modélisation. A cet égard, une méthodologie quantitative a d'abord été mise au point pour rendre explicite la contribution des erreurs induites par les incertitudes de modèle. Cette méthodologie a été appliquée à différentes stratégies de détection, basées soit sur une estimation directe du couple extérieur, soit sur l'utilisation d'observateurs de perturbation, dans le cas d’une modélisation parfaitement rigide ou à articulations flexibles. Une comparaison du type et de la structure des erreurs qui en découlent et de leurs conséquences sur la détection d'impacts en a été déduite. Dans une deuxième étape, de nouvelles stratégies de détection d'impacts ont été conçues: les effets dynamiques des impacts sont isolés en déterminant la marge d'erreur maximale due aux incertitudes de modèle à l’aide d’une approche stochastique.Une fois l'impact détecté et afin de déclencher la réaction post-impact du robot la plus appropriée, la deuxième partie de la thèse aborde l'étape de classification. En particulier, la distinction entre un contact intentionnel (l'opérateur interagit intentionnellement avec le robot, par exemple pour reconfigurer la tâche) et un contact non-désiré (un sujet humain heurte accidentellement le robot), ainsi que la localisation du contact sur le robot, est étudiée en utilisant des techniques d'apprentissage supervisé et plus spécifiquement des réseaux de neurones feedforward. La généralisation à plusieurs sujet humains et à différentes trajectoires du robot a été étudiée. / The present thesis aims to develop an efficient strategy for impact detection and classification in the presence of modeling uncertainties of the robot and its environment and using a minimum number of sensors, in particular in the absence of force/torque sensor.The first part of the thesis deals with the detection of an impact that can occur at any location along the robot arm and at any moment during the robot trajectory. Impact detection methods are commonly based on a dynamic model of the system, making them subject to the trade-off between sensitivity of detection and robustness to modeling uncertainties. In this respect, a quantitative methodology has first been developed to make explicit the contribution of the errors induced by model uncertainties. This methodology has been applied to various detection strategies, based either on a direct estimate of the external torque or using disturbance observers, in the perfectly rigid case or in the elastic-joint case. A comparison of the type and structure of the errors involved and their consequences on the impact detection has been deduced. In a second step, novel impact detection strategies have been designed: the dynamic effects of the impacts are isolated by determining the maximal error range due to modeling uncertainties using a stochastic approach.Once the impact has been detected and in order to trigger the most appropriate post-impact robot reaction, the second part of the thesis focuses on the classification step. In particular, the distinction between an intentional contact (the human operator intentionally interacts with the robot, for example to reconfigure the task) and an undesired contact (a human subject accidentally runs into the robot), as well as the localization of the contact on the robot, is investigated using supervised learning techniques and more specifically feedforward neural networks. The challenge of generalizing to several human subjects and robot trajectories has been investigated.

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This is a thesis about anti-paternalism – the liberal doctrine that we may not interfere with a person’s liberty for her own good. Empirical circumstances and moral values may certainly give us reason to avoid benevolent interference. Anti-paternalism as a normative doctrine should, however, be rejected. Essay I concerns the definitions of paternalism and anti-paternalism. It is argued that only a definition of paternalism in terms of compound reason-actions can accommodate its special moral properties. Definitions in terms of actions, common in the literature, cannot. It is argued, furthermore, that in specifying the reason-actions in further detail, the notion of what is self-regarding, as opposed to other-regarding, is irrelevant, contrary to received opinion. Essay II starts out with the definition of paternalism defended in essay I and claims that however this very general definition is specified, anti-paternalism is unreasonable and should be rejected. Anti-paternalism is the position that certain reasons – referring one way or the other to the good of a person, give no valid normative support to certain actions – some kind of interferences with the same person. Since the reasons in question are normally quite legitimate and important reasons for action, a convincing argument for anti-paternalism must explain why they are invalid in cases of interference. A closer look at the reasons and actions in question provides no basis for such an explanation. Essay III considers a concrete case of benevolent interference – the withholding of information concerning uncertain threats to public health in the public’s best interest. Such a policy has been suggested in relation to the European Commission’s proposed new system for the Registration, Evaluation, and Authorisation of Chemicals (REACH). Information about uncertain threats to health from chemicals would allegedly spread anxiety and depression and thus do more harm than good. The avoidance of negative health effects is accepted as a legitimate and good reason for withholding of information, thus respecting the conclusion of essay II, that anti-paternalism should be rejected. Other reasons, however, tip the balance in favour of making the information available. These reasons include the net effects on knowledge, psychological effects, effects on private decisions and effects on political decisions. / QC 20101115

To handle uncertainties and variabilities in production demands, many manufacturing companies have adopted different strategies, such as varying quoted lead time, rejecting orders, increasing stock or inventory levels, and implementing volume flexibility. Make-to-stock (MTS) systems are designed to offer zero lead time by providing an inventory buffer for the organizations, but they are costly and involve risks such as obsolescence and wasted expenditures. The main concern of make-to-order (MTO) systems is eliminating inventories and reducing the non-value-added processes and wastes; however, these systems are based on the assumption that the manufacturing environments and customers' demand are deterministic. Research shows that in MTO systems variability and uncertainty in the demand levels causes instability in the production flow, resulting in congestion in the production flow, long lead times, and low throughput. Neither strategy is wholly satisfactory. A new alternative approach, multi-channel manufacturing (MCM) systems are designed to manage uncertainties and variabilities in demands by first focusing on customers' response time. The products are divided into different product families, each with its own manufacturing stream or sub-factory. MCM also allocates the production capacity needed in each sub-factory to produce each product family. In this research, the performance of an MCM system is studied by implementing MCM in a real case scenario from textile industry modeled via discrete event simulation. MTS and MTO systems are implemented for the same case scenario and the results are studied and compared. The variables of interest for this research are the throughput of products, the level of on-time deliveries, and the inventory level. The results conducted from the simulation experiments favor the simulated MCM system for all mentioned criteria. Further research activities, such as applying MCM to different manufacturing contexts, is highly recommended.

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Neste trabalho apresenta-se um procedimento de projeto para sistemas dinâmicos com não linearidades do tipo setor. Um sistema linear com incerteza estruturada é utilizado para descrever o sistema não linear, permitindo encontrar funções de Lyapunov, subconjuntos do domínio de atração e regiões invariantes do sistema não linear de forma relativamente simples. O controlador de ganho programado utiliza os estados do sistema para chavear controladores lineares robustos em subconjuntos do domínio de atração do sistema em torno do ponto de operação. O procedimento garante a estabilidade do sistema em malha fechada e reduz o conservadorismo que resulta quando uma grande região de atração é considerada. Além disto, também considera-se o problema de transição garantida entre pontos de operação, utilizando um caminho pré especificado no espaço de estado. Para o controle do sistema linear com incerteza, apresenta-se uma técnica de controle de custo garantido utilizando desigualdades de matrizes lineares. Um sistema de suspensão magnética e um sistema de bioxidação microbiana de sorbitol a sorbose são apresentados como exemplos de aplicação do controlador de ganho programado. / In this work a gain scheduling controller design procedure for dynamic systems with sector nonlinearities is given. An uncertain linear system with structured uncertainty is used to describe the nonlinear system, yielding an easy way to obtain Lyapunov functions, invariant sets and subsets of the system domain of attraction. The gain scheduling controller proposed uses the system state to switch linear robust controllers in subsets of the system domain of attraction around the operating point. The procedure guarantees the stability ofthe closed loop system and reduces the amount of conservatism that results when a large region of attraction around the operating point is considered. In addition, we also consider the problem of guaranteed transition between operating points by using a pre specified path in the state space for the system operating points. A guaranteed cost control law for uncertain linear systems using linear matrix inequalities is also presented. A magnetic suspension system and a sorbitol to sorbose microbial oxidation system are presented as applications of the gain scheduled controller.

Cette thèse est le résultat de recherche effectuée à Longwy au sein du département CID « Contrôle Identification et Diagnostic» du Centre de Recherche en Automatique de Nancy (CRAN). Elle concerne, d’une part, la synthèse des observateurs dynamiques (d’ordre plein et d’ordre réduit) et la commande basée observateur d’une classe de systèmes linéaires incertains, d’autre part, l’application de ces résultats aux systèmes de grande dimension. Dans une première partie, une nouvelle forme d’observateurs dynamiques H-infini est conçue pour les systèmes linéaires en présence d’entrées inconnues et de perturbations, pour les systèmes continus et discrets. L’observateur proposé généralise ceux existants tels que les observateurs proportionnels et proportionnels-intégrales. La conception d’observateur est fondée sur la résolution des inégalités matricielles linéaires (LMI). Ensuite, ces observateurs ont été utilisés dans la synthèse de contrôleurs basés observateur pour les systèmes incertains en présence de perturbations. Cette synthèse est basée sur le paramétrage des solutions des contraintes algébriques obtenues à partir des erreurs d’estimation. La solution est obtenue à partir de la résolution des inégalités matricielles bilinéaires en utilisant un algorithme à 2 étapes.Dans la dernière partie, les résultats obtenus ont été étendus aux systèmes de grande dimension. Dans ce cadre, les systèmes considérés sont décomposés en plusieurs sous-systèmes interconnectés de faible dimension, où les interconnections sont supposées non linéaires et satisfaire des contraintes quadratiques. Une commande décentralisée basée observateur dynamique est proposée pour les systèmes interconnectés incertains en présence de perturbations / The present thesis is the result of research conducted in Longwy, within the department Control, Identification, Diagnosis (CID) of Research Center for Automatic Control of Nancy (CRAN). This thesis investigates the problem of dynamic observer (full- and reduced-order) and observer-based control design and their applications to large-scale systems. Firstly, a new form of H-infinity dynamic observer is designed for linear systems in the presence of unknown inputs and disturbances. The proposed observer generalizes the existing results on proportional observer and proportional integral observer. The observer design is based on the solution of linear matrix inequalities (LMI). Both continuous-time and discrete-time systems are considered. Thereafter, by inserting the proposed observer into a closed-loop, an observer-based control is presented for uncertain systems in the presence of disturbances. Based on the parameterization of algebraic constraints obtained from the analysis of the estimation error, the control design is derived from the solution of bilinear matrix inequality, by using a two-steps algorithm. Finally, the obtained results have been extended to large-scale systems. A decentralized observer-based control is proposed for large-scale uncertain systems in the presence of disturbances. These systems are composed of several interconnected subsystems of low dimensions, where the interconnections are assumed to be nonlinear and satisfy quadratic constraints

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