Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Commandes robustes/adaptatives“

Despite all the effort devoted to generating locomotion algorithms for bipedal walkers, robots are still far from reaching the impressive human walking capabilities, for instance regarding robustness and energy consumption. In this paper, we have developed a bio-inspired torque-based controller supporting the emergence of a new generation of robust and energy-efficient walkers. It recruits virtual muscles driven by reflexes and a central pattern generator, and thus requires no computationally intensive inverse kinematics or dynamics modeling. This controller is capable of generating energy-efficient and human-like gaits (both regarding kinematics and dynamics) across a large range of forward speeds, in a 3D environment. After a single off-line optimization process, the forward speed can be continuously commanded within this range by changing high-level parameters, as linear or quadratic functions of the target speed. Sharp speed transitions can then be achieved with no additional tuning, resulting in immediate adaptations of the step length and frequency. In this paper, we particularly embodied this controller on a simulated version of COMAN, a 95 cm tall humanoid robot. We reached forward speed modulations between 0.4 and 0.9 m/s. This covers normal human walking speeds once scaled to the robot size. Finally, the walker demonstrated significant robustness against a large spectrum of unpredicted perturbations: facing external pushes or walking on altered environments, such as stairs, slopes, and irregular ground.

A series of transformations and adaptations in the Sami use of land for their subsistence over a long period of time has led to the reindeer husbandry of today. In Sweden the Sami rights to land and water are today legally connected to the practising of reindeer husbandry as a livelihood. Together with a few associated commodities, it has become considered is the only lasting Sami land-use. In the Sami culture, a central element is the association of the people with the land and the subsistence on what is provided in nature. Consequently, this association between people and land is today kept alive by the reindeer husbandry practiced as a livelihood, which thereby also produces and manages an essential base for the culture. The developments in the surrounding society are currently reducing the latitude for the reindeer industry at an accelerated rate and thereby also its capacity to handle new situations. In the complicated ecological, economic, social and institutional contexts, where reindeer husbandry is practiced, there is a large risks for sudden and unpredicted disintegrations and collapses at different system levels. The consequences thereof for the long term continuation and adaptability of Sami land use are largely unpredictable. If it leads to a collapse of reindeer industry as mode of land-use, the risks of additional deterioration of the Sami indigenous rights is also apparent and thereby the scope for new solutions as well. This will likely have serious negative consequences for the viability of the Sami culture concurrently with declining live dependences of the land. The situation of reindeer husbandry has similarities with management crises in many other integrated socio-ecological systems, which have led to sustainability failures and unpredicted consequences. These insights seem to be deficient in the treatment of the problems, which reindeer industry is facing. Scientists could probably make a very important contribution by elucidating these circumstances. This requires the adoption of a new approach based on complex systems thinking, where possible changes associated with internal and external conditions can be analysed across system borders, scales and disciplines. A possible conceptual framework for such analyses would be the theories evolved around adaptive transformations in integrated human and natural systems, now becoming a vital part of sustainability science. Fundamental in this framework is the integration of physical, ecological, economic, social and institutional systems via adaptive cycles. These are characterised by four consecutive key processes, which are repeated irregularly over time, namely growth and development, maturation with increasing vulnerability, gradual or sudden disintegration and collapse, and release of resources and values for controlled or uncontrolled reorganisation, growth and development. The connections span over temporal and spatial or social scales, the rate and magnitude of changes in different variables depend to some extent of the scale. Typical for such complex systems are a high degree of dynamics with simultaneous changes in different parts of the system, uncertainty and unpredictability, varying vulnerability over time, multiple stability domains, and inbuilt non-linearities which may cause the system to flip into another trajectories or stability domains when challenges exceed the ability of the system to absorb disturbances without loosing its functions (i.e. resilience). The latter typically happens after decreased resilience which may have many different causes. This may be due to different slow and maybe ignored losses of key resources or abilities to utilise them, slow accumulations of adverse circumstances such as external disturbances, losses of functional diversities, decreased capability to adopt novelties, loss of social capabilities, trust or ability of learning, rigid institutions, etc. It is generally suggested that the management of complex systems should promote the building and maintenance of resilience, creative self-organisations, learning and diversity, rather than strive for decreased variation and stability in the conventional sense. The complex system view is much closer the actual “soul” of reindeer husbandry, which by necessity is characterised by maintaining flexibility, living with uncertainty and continuously adapting to prevailing conditions. This stands in sharp contrast to the “control and command” type of management, which is usually investigated and imposed on the reindeer industry.

Dans ce mémoire, de nouveaux critères de robustesse pour les systèmes linéaires incertains et a équations différentielles d'ordre élevé ont été proposés à partir des théorèmes de Gerschgorin et Kharitonov ou de la théorie de Lyapunov. Les développements des déterminants d'une somme de matrices, de son adjointe et de son inverse ont été établis. Nous avons proposé un nouveau modèle d'état avec incertitudes, plus apte à décrire les systèmes incertains réels. Nous avons développé, pour des systèmes incertains, des bornes supérieures des variations, relative et absolue, du cout quadratique lorsqu'un régulateur quadratique linéaire nominal est utilisé. Nous avons proposé des correcteurs à cout garanti pour des systèmes incertains. Nous avons étudié la synthèse des correcteurs pour les systèmes incertains. Divers correcteurs à bornitudes ultimes uniformes ont été obtenus. Nous avons discuté des méthodes de synthèse des correcteurs adaptatifs et adaptatifs robustes pour les systèmes incertains. Un algorithme de commande hybride robuste-adaptative a été développé. Nous avons proposé un nouveau modèle pour l'identification des paramètres d'un robot. Nous avons proposé des lois de commande robustes et un nouveau correcteur hybride robuste-adaptatif pour les robots. Les simulations ont montré les avantages de ce correcteur robuste-adaptatif

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de l'identification et de la commande robuste et adaptative des systèmes mécaniques destinés à assurer une isolation vibratoire. L'application du contrôle actif est effectuée sur une suspension active. Les problèmes abordés sont des problèmes d'atténuation large bande et bande étroite. Le premier axe du travail, correspond à l'atténuation large bande, consiste à donner une méthodologie de commande robuste pour la vérification des contraintes imposées, la principale contrainte étant un gabarit sur la densité spectrale de la force résiduelle mesurée. La méthodologie proposée consiste en l'identification en boucle ouverte du chemin secondaire de la suspension active, le calcul d'un régulateur satisfaisant les performances désirées, l'amélioration du modèle pour la commande par identification en boucle fermée, le re-calcul d'un régulateur et la réduction de la complexité du régulateur ainsi obtenu. Les résultats obtenus sont validés sur le système réel. Le deuxième axe du travavail concerne l'atténuation des perturbations bande étroite. L'approche utilisée est la régulation adaptative, les deux algorithmes présentés étant basés sur le principe du modèle interne. Le premier algorithme - indirect - est basé sur l'identification du modèle de la perturbation et le calcul du régulateur par placement de pôles. Le deuxième - direct - est basé sur la paramétrisation de Youla-Kucera (Q-paramétrisation). Les deux algorithmes sont mis en oeuvre sur le système réel.

Les récents progrès théoriques et le nombre croissant des applications industrielles de la commande floue lui permettent de prendre place à côté des théories classiques de commande. Cependant il reste à mettre en œuvre des stratégies de réglage automatique des différents paramètres intervenant dans la conception des régulateurs flous. Le travail présenté dans ce mémoire propose la possibilité de réaliser une loi de commande adaptative floue indirecte. Il consiste à modifier les gains d'un régulateur flou en fonction des résultats d'une identification d'un modèle linéaire pseudo-continu du système utilisant le formalisme de l'opérateur delta. Dans un premier temps, une méthode d'obtention des gains robustes optimaux du régulateur flou pour une classe de systèmes linéaires du premier et du second ordre est proposée. Une analyse statistique est effectuée sur l'ensemble des résultats de l'optimisation non linéaire et permet de mettre en évidence qu'il n'existe pas de relations générales liant les gains du régulateur flou à un ou plusieurs paramètres du système. Cette absence de relations marquées conduit à mettre en œuvre un modèle flou d'évolution des gains du régulateur en fonction des paramètres du système. L’approche envisagée est du type floue car elle permet au travers des règles linguistiques de conserver les relations locales mises en évidence par l'analyse statistique. Cette modélisation permet de mettre en œuvre un algorithme d'adaptation des gains du régulateur flou en fonction des paramètres dynamiques du système. La technique d'identification développée est basée sur la méthode des moindres carrés récursifs et l'utilisation du formalisme de l'opérateur delta. Enfin un superviseur central permet de piloter à la fois les modules d'identification et de commande en sélectionnant, soit un régulateur robuste à gains constants, soit un régulateur adaptatif pour améliorer les performances de la boucle fermée. Des essais en simulation et sur un procédé de régulation de niveau d'eau ont permis de valider l'approche.

Pour synthétiser un correcteur robuste pour un système linéaire incertain, il existe de nombreuses méthodes linéaires. Cependant, bien souvent, le gain en robustesse se fait au détriment de la performance. Aussi, dans cette thèse, on s'intéresse à la situation où la plage des valeurs possibles des paramètres est "très grande" par rapport à la "faible" variation du niveau de performance souhaité. Dans cette situation, il peut alors s'avérer intéressant d'utiliser des correcteurs séquencés. Seulement, la mise en place de cette solution nécessite que le correcteur ait à sa disposition les paramètres sur lesquels il sera séquencé. Et il peut arriver que l'on ne souhaite pas (à cause de considérations de réalisation pratique), ou que l'on ne puisse pas disposer de la mesure de ces paramètres. On est alors amené à estimer ces paramètres et donc à utiliser le paradigme de la commande adaptative. Dans cette thèse, on cherche à proposer une méthodologie de synthèse d'un correcteur auto-adaptatif afin de résoudre un problème de commande robuste d'un procédé linéaire incertain. Après une étude théorique ayant pour objectif de proposer une telle méthodologie, le cas d'un avion instable est traité à titre d'application, permettant ainsi de mettre en évidence le bénéfice que la stratégie proposée peut apporter à la commande d'un système incertain
Many linear methods exist to design a robust controller for an uncertain linear system. This thesis considered the situation where the range of possible values of parameters is "very large" in relation to "small" variations in the desired level of performance. Frequently, an increase in robustness is obtained at the expense of a performance loss. The use of scheduled controllers may be an innovative way to address this problem. The implementation of this solution requires the controller has at its disposal the parameters on which the scheduling is done. However, it may occur that making the measure of the parameters available is not desired (for example, because of practical implementation aspects) or not possible. In these situations, the designer of the controller is led to estimate these parameters and then to use the paradigm of adaptive control. This thesis explored a methodology for designing an adaptive controller in which to solve the problem of robust control for an uncertain linear plant. A theoretical study was first undertaken which aimed to propose such a methodology; followed by, a study of the case of an unstable airplane as an application. Such an analysis highlighted the benefits that the proposed strategy can bring to the control for an uncertain plant

Cette thèse porte sur l'étude de robustesse et l'analyse transitoire en commande adaptative non-linéaire, développée par l'approche du backstepping. Il s'agit d'une technique récursive pour élaborer la loi de commande et développer une fonction de Lyapunov pour l'analyse de la boucle fermée. Les travaux antérieurs dans ce domaine ont focalisé sur les procédés sujets uniquement à l'incertitude paramétrique. Nous nous pencherons sur les procédés linéaires qui, en plus des incertitudes paramétriques, sont soumis à des dynamiques négligées et des perturbations externes. Pour commander ces systèmes nous profiterons d'outils de synthèse déjà utilisés avec succès en commande adaptative classique, dite linéaire. Ainsi, nous proposerons deux lois de commande robustes, l'une utilisant la modification dite 'switching sigma' et l'autre comprenant une projection des paramètres estimé sur un convexe borné contenant les vrais paramètres. Nous montrerons que ces deux outils qui sont interchangeables en commande adaptative linéaire, ne le sont plus en commande adaptative non-linéaire. Dans le cas général où les dynamiques négligées n'affectent pas le degré relatif du modèle, le résultat de stabilité est global. Autrement, la stabilité est régionale avec une région d'attraction inversement proportionnelle à la taille des incertitudes.

Le moteur à réluctance variable (MRV) est en train de gagner beaucoup d'intérêt dans les applications de traction électrique grâce à la compatibilité significative entre ses caractéristiques naturelles et les exigences de l'industrie automobile. Cependant, à cause de la caractéristique fortement non linéaire des grandeurs électromagnétiques du MRV, l'usure du moteur, les variations paramétriques dues aux tolérances de fabrication, et la dérive des paramètres durant le fonctionnement, les stratégies de commande classique ne permettent pas d'assurer des hautes performances de suivi de trajectoire et de robustesse en stabilité dans l'environnement de fonctionnement d'un véhicule électrique. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de commande robustes du MRV en prenant en considération les contraintes imposées par les applications de traction. Afin d'atteindre cet objectif, une structure de commande en cascade, composée d'une boucle externe de vitesse et d'une boucle interne de courant, est envisagée. Les objectifs de synthèse sont ensuite fixés à travers un cahier des charges formulé en termes de gabarits fréquentiels, et les correcteurs robustes et adaptatifs de vitesse et de courant sont ainsi synthétisés en se basant sur les approches de commande H-infini et LPV/H- infini. La faisabilité des correcteurs constitue également un critère important dans les applications de traction électrique où la puissance de calcul embarqué dans le véhicule est très limitée. Ce critère est pris en considération dans cette thèse à travers l'utilisation des approches de synthèse des correcteurs H- infini d'ordre fixe. Les performances de ces correcteurs sont analysées et comparées avec les performances des correcteurs H- infini classiques à travers une étude par la μ-analyse de la robustesse en stabilité et une évaluation expérimentale. Le deuxième objectif de ces travaux de thèse est d'évaluer l'intérêt de la commande sans capteurs mécanique du MRV en se basant sur des méthodes d'estimation. Des observateurs robustes basés sur les modes glissants et le filtrage de Kalman sont ainsi synthétisés. Les performances et la robustesse de ces observateurs sont ensuite comparées expérimentalement dans une perspective d'une application de traction électrique
The switched reluctance motor (SRM) is gaining much interest in electric vehicle applications. It includes robustness to harsh operational conditions, rugged structure, fault tolerant operation and a wide range of speed. However, due to the highly nonlinear electromagnetic characteristic, wear and tear of motor, manufacturing tolerances and parameters drift during operation, classical control strategies do not ensure high dynamical performance and robustness under various operating conditions in electric vehicle environment. In this context, the first purpose of this thesis is to propose robust control strategies of the SRM taking into account the constraints imposed by electric vehicle applications. To achieve this objective, a cascade control scheme is adopted; it consists of an outer speed loop and an inner current loop. Controllers design aims are fixed through specifications formulated in frequency domain, robust and adaptive controllers of speed and currents are thus synthesized based on H- infini and LPV/H- infini control approaches. Feasibility of these controllers is also an important criterion in electric vehicles applications where embedded computing power is very limited. This criterion is taken into account in this thesis by using fixed order controller synthesis approaches. The performances of these controllers are analyzed and compared with the performances of standard H- infini controllers through an experimental evaluation and a robustness analysis is performed using the concept of the Singular Structured Value, i.e. the μ-analysis. The second objective of this thesis is to assess the interest of the sensorless control of SRM. Robust observers based on second order sliding mode (SMO2) and Kalman filtering techniques (EKF) are designed to estimate the mechanical states of SRM. Performances and robustness of these observers are then compared experimentally in perspective of electric vehicle application

Cette thèse a pour objectif le développement d’une famille de commandes adaptatives robustes par modes glissant pour une large classe de systèmes non linéaires incertains et perturbés. Ainsi, deux lois de commande ont été développées. Dans la première, le modèle du système a été reformulé de telle sorte que toutes les dynamiques inconnues soient regroupées dans une seule fonction et ainsi utiliser un seul approximateur. Dans ce contexte, les réseaux d’ondelettes flous ont été d’abord utilisés vus leurs convergences rapides mais ils ne permettent de donner de bons résultats en présence des informations linguistiques incertaines. Afin de remédier à cela, un système flou de type-2 a été utilisé. Pour assurer la robustesse vis-à-vis des perturbations externes, des incertitudes et erreurs d’approximation, le mode glissant a été proposé. Pour réduire les sollicitations au démarrage au niveau du signal de commande, une surface non-linéaire a été introduite. La loi de commande ainsi construite permet d’assurer la robustesse et la stabilité globale du système bouclé tout en éliminant le phénomène de chattering dans le cas du mode glissant classique. Cependant, le choix des gains de la surface de glissement devient compliqué pour des systèmes d’ordre supérieur à 2. Pour résoudre ce problème, une nouvelle loi de commande par mode glissant a été proposée. L’avantage principal de cette approche réside dans le fait que la surface de glissement a été modifiée de telle sorte que la phase d’approche a été supprimée ce qui rend le système plus robuste et augmente sa vitesse de convergence aux signaux de références. .
This thesis aims to develop a family of adaptive robust sliding modes for a large class of non-linear uncertain and disturbed. Two control laws were developed. In the first, the model system has been reformed such that all the unknown dynamics are combined in one function and then use a single approximation. In this context, fuzzy wavelet networks were first used thanks to their rapid convergence but they don’t give good results in the presence of uncertain linguistic information. To resolve this, a fuzzy system of type-2 was used. To ensure robustness against external disturbances, uncertainty and approximation errors, the sliding mode has been proposed. To reduce the stresses at the start of the signal, a non-linear was introduced. The control law is built to ensure the robustness and overall stability of the closed system in addition to it’s capacity of eliminating the phenomenon of chattering in the case of classical sliding mode. However, the choice of the gains of the sliding surface becomes complicated for systems of order greater than 2. To overcome this problem, a new control law using sliding mode has been proposed. The main advantage of this approach is that the sliding surface has been modified so that the approach has been removed which makes the system more robust and increases its speed of convergence to the reference signal. .

Dans ce mémoire sont étudiées des lois de commande basées sur des méthodes adaptatives indirectes et prédictives, pour contrôler des systèmes multivariables, non linéaires, soumis à des perturbations et évoluant dans le temps de manière inconnue a priori. La première partie concerne la définition du modèle à utiliser pour identifier et obtenir une approximation satisfaisante du comportement du precessus. Un bon compromis entre la simplicité et la justesse du modèle est obtenu avec des modèles du type linéaire auto-régressif. Des extentions sont proposées pour tenir compte de discontinuités sur la commande dans le cas particulier des systèmes mécaniques avec des actionneurs comportant une zone inactive. L'adaptation des paramètres du modèle est le second point crucial pour identifier correctement le processus. Les algorithmes d'adaptation développés sont fondés sur le principe des moindres carrés récursifs,auquel des améliorations ont été apportées pour réduire la sensibilité au bruit et pour résoudre les problèmes numériques survenant lorsque la condition d'excitation permanente n'est pas vérifiée. Dans les troisième et quatrième chapitres, des lois de commande sont déterminées pour minimiser les erreurs sur un horizon de prédiction de plusieurs pas. Des critères quadratiques sont établis pour améliorer la robustesse de la loi de commande vis-à-vis des bruits de mesure, pour traiter des systèmes à retars purs, et pour aboutir à des commandes régulières limitant les sollicitations sur les actionneurs et le processus. L'application de ces algorithmes en simulation et expérimentalement valide les résultats obtenus et montre la robustesse et les avantages des lois de commande adaptatives et prédictives proposées.

The management of a heterogeneous mix of underwater vehicles needs a robust and reliable communication network, able to connect the remote command and control station (typically ashore or on board of a support ship) with nodes and vehicles in the deep sea. On the basis of this scenario, the infrastructure shall satisfy requirements such as: medium to extremely long distances between the control room and the area of operation; management of a variable number and type of nodes and vehicles (mobile, fixed, underwater, surfaced); a guaranteed bandwidth to send commands and receive platform status and tasks execution information with minimum latency; a high bitrate to transfer sensor data, pictures and videos in “near real time”; etc. Compared to the available solutions used nowadays for radio communication systems, the underwater environment imposes several constraints on the maximum achievable bandwidth and distance, drastically reducing data transfer rates. This means that the full communication network is a trade-off between different requirements and performances. The SWARMs project approach to this problem is to select, combine and integrate different and heterogeneous communication technologies, components and solutions, in order to obtain the best performances for the management and control of underwater vehicles during the execution of different missions and tasks. The network is mainly based on commercial components, but specific adaptations were made in order to fulfil the requirements of ad hoc underwater and overwater sub networks in maritime specific scenarios. Several experiments and sea trials have allowed the verification of the performance of the full network and the optimization of its configuration according to the mission needs.