Academic literature on the topic 'Commande robuste H2'

Abstract The conventional linear parameter varying (LPV) modeling for turbofan engines is performed at a set of equilibrium points, which may result in inaccurate description of dynamics of engines when the engine accelerates/decelerates in a broad range and operates away from the equilibria. Meanwhile, to ensure stable operation of turbofan engines, the engine pressure ratio (EPR) needs to be regulated when turning on afterburner. According to this complex multi-input multi-output (MIMO) problem mixed with disturbances, this paper proposes a hybrid H∞/H2 robust control framework based on off-equilibrium linearization. We firstly establish an off-equilibrium linearization based polynomial LPV model for the MIMO turbofan engine, and then design the H∞/H2 robust controller by solving sum-of-squares (SOS) programming. The simulation results show that the controller can simultaneously achieve fast dual command tracking and disturbance suppression when turning on afterburner. Furthermore, this control framework is superior to the equilibrium linearization-based controller in many aspects, which further proves the accuracy of the off-equilibrium based LPV model.

Studies of preview gust load alleviation [Formula: see text] and [Formula: see text] controllers via synthesis, simulation, wind tunnel tests, and test/simulation correlation are presented in this paper. University of Washington active aeroservoelastic wind tunnel model design, construction, and testing capabilities are used. The test article is a flexible half wing–body–tail model with active control surfaces of two ailerons and an elevator. The model moves in a combination of rigid-body and elastic motions. The commands of gust vanes are used both to generate gusts and to provide real-time preview gust encounter information. A discrete-time linear-time-invariant output feedback system is augmented with various preview lengths of information. The experimental results show that gust loads are reduced with gust preview information compared to feedback-only control and are halved with the fullest gust preview information compared to the open-loop case. The wind tunnel results validated the simulations and added insights to the performance of preview [Formula: see text] and [Formula: see text] control implementation. The closed-loop analysis quantified the margins and robustness of the systems and correlated with the time history of both simulations and experiments. This paper presents preview gust load alleviation robust control test results, not available so far, in a realistic experimental setting.

Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de l'efficacité de la commande CRONE avec effet anticipatif robuste dans les problèmes de poursuite et de régulation pour les systèmes monovariables et multivariables. L'objectif de l'anticipation est de concevoir des algorithmes de commande capables de minimiser un critère quadratique basé sur l'erreur entre la sortie du système et le signal de référence avec modération du niveau du signal de commande. La solution proposée repose sur l'association d'une commande robuste de type feedback à une commande anticipative de type feedforward. L'action feedforward utilise un filtre anticipatif synthétisé dans le domaine fréquentiel en utilisant des critères d'optimalité et de contraintes de type $mathcal{H}_2$ et $mathcal{H}_infty$. La réduction du nombre de paramètres du filtre anticipatif en utilisant une période d'échantillonnage plus lente a été traitée. Des exemples académiques illustrent les développements théoriques. Une application pratique sur un système de régulation hydraulique a montré la pertinence de cette nouvelle approche
The work presented in this thesis is part of the study of the effectiveness of CRONE control with anticipative effect in the problems of tracking and control for monovariable and multivariable systems. The anticipation objective is to design a control algorithm that minimizes a quadratic error between the reference and the output of the system and at the same time achieve a good level of the control signal. The proposed solution combines a robust feedback control with a feedforward control. The feedforward action uses optimality criteria and an anticipative filter which is designed in the frequency domain using a mix of $mathcal{H}_2$ et $mathcal{H}_infty$ constraints. The reduction of the number of parameters of the anticipative filter by using a slower sampling period for the anticipative filter is treated. Academic examples highlight the theoretical developments. A practical application on a hydraulic control system has shown the efficiency of the developed approach

Nous étudions dans cette thèse les problèmes liés à la Commande Globale de Châssis (CGC) automobile. L'objectif est de développer des méthodes pour piloter différents actionneurs du véhicule (suspensions, freinage et direction) afin de les faire collaborer, dans le but d'améliorer le confort et la sécurité, et, de maitriser la dynamique du véhicule. Ce problème est complexe car il implique des dynamiques variées, non linéaires et de fortes contraintes au niveau des actionneurs. Les méthodes et outils utilisés sont issus des récents développements de l'automatique dans le domaine de la commande robuste pour les systèmes linéaires à paramètres variant (LPV). Dans ce contexte, les principaux thèmes développés concernent la modélisation, l'analyse et le contrôle des véhicules automobiles, ainsi que le contrôle robuste des systèmes LPV, utilisant les outils des inégalités linéaires matricielles (LMIs). Les principaux résultats traitent du développement de méthodes LPV pour la synthèse de commande robuste de suspension semi-active et de la synthèse de contrôle global de châssis (CGC) garantissant sécurité et agrément de conduite
In this thesis, the automotive global chassis control problem is treated. The objective is to develop methodologies to control the different vehicle actuators (suspension, braking and steering systems) to enhance comfort and safety, and, to control the ground vehicle dynamics. Since it implies many different and nonlinear phenomena and constrained actuators, this problem turns to be very complex to solve. The tools and methods used are inspired from the recent developments in automatic control, and especially from the one from the robust control community applied to Linear Parameter Varying (LPV) systems. In this framework, we focus on the modeling, the analysis and the control of automotive systems as well as robust control for LPV systems, using the Linear Matrix Inequality (LMI) tools. The main results concern the development of a new semi-active suspension controller and an adaptive global chassis control using the robust LPV approach

Nous étudions dans cette thèse les problèmes liés à la Commande Globale de Châssis (CGC) automobile. L'objectif est de développer des méthodes pour piloter différents actionneurs du véhicule (suspensions, freinage et direction) afin de les faire collaborer, dans le but d'améliorer le confort et la sécurité, et, de maitriser la dynamique du véhicule. Ce problème est complexe car il implique des dynamiques variées, non linéaires et de fortes contraintes au niveau des actionneurs. Les méthodes et outils utilisés sont issus des récents développements de l'automatique dans le domaine de la commande robuste pour les systèmes linéaires à paramètres variant (LPV). Dans ce contexte, les principaux thèmes développés concernent la modélisation, l'analyse et le contrôle des véhicules automobiles, ainsi que le contrôle robuste des systèmes LPV, utilisant les outils des inégalités linéaires matricielles (LMIs). Les principaux résultats traitent du développement de méthodes LPV pour la synthèse de commande robuste de suspension semi-active et de la synthèse de contrôle global de châssis (CGC) garantissant sécurité et agrément de conduite.

L’automatisation des véhicules agricoles est aujourd’hui un enjeu majeur de la mutation des pratiques agricoles. Munis des capteurs ad hoc, il est question ici de leur capacité à suivre une trajectoire prédéfinie, de manière robuste afin d’assurer leur mission en dépit d’un sol complexe. Cette thèse contribue au sujet en revisitant les problématiques de contrôle des dynamiques latérales et longitudinales. Dans le but de générer une commande robuste des angles de braquage, le suivi latéral du chemin de référence proposé s’appuie sur une approche multi-objectif H2/H∞ et multi-modèle, de manière à optimiser le compromis performances/robustesse à partir des incertitudes explicitées. Le contrôle longitudinal proposé est novateur à plusieurs points de vue. Quoique conçu indépendamment du contrôle latéral, il tient compte des aspects liés à la dynamique latérale, et vise à prévenir les pertes d’adhérence et risques de renversement. La prise en compte de telles contraintes et la nécessité d’anticipation ont induit le choix d’une commande prédictive non-linéaire. Au final, la pertinence de la solution et de la méthode est illustrée par le biais d’un simulateur réaliste, sur la base de scénarios faisant intervenir des configurations multiples de pentes et de vitesses
The automation of off-road vehicles has become nowadays a strategic line of research given the recent and profound mutations of agricultural practices. This thesis deals with the conception of two independent controllers of an off-road vehicle, regulating both longitudinal and lateral dynamics. The first regulator aims to minimize the deviations with respect to a reference path by controlling the steering angles. It relies on anextended bicycle model that accounts for the slopes and load transfers. The H2/H∞ multi-objective synthesis allows the consideration of large model uncertainties. The adaptability of this controller is enhanced by the feedback/feedforward architecture which ensures the global robustness of the regulator. The second controller regulates the longitudinal dynamics of the vehicle. It lies on model predictive control. Anti-slip and anti-rollover constraints are explicitly defined during the synthesis of the regulator to ensure the stability of the off-road vehicle operating on slippery sloping grounds. The designed controllers have been tested on a realistic simulator which takes account of great load transfers within the vehicle, which are common in agricultural context. Both controllers have demonstrated satisfactory performances while exploring a variety of slopes and speeds

Davantage que par le passé, le concepteur de lois de commande se trouve confronté à des systèmes complexes : nombre élevé de dynamiques mais aussi d'actionneurs et de capteurs, voire contraintes spatiales sur la structure du régulateur. Ceci résulte de la complexification croissante des processus industriels, de l'avènement de systèmes de communication performants ainsi que de la recherche de performances accrues (recherche d'une optimisation plus globale).

Si la commande décentralisée a mobilisé de nombreux efforts de recherche dés les années 70, de nombreux problèmes restent ouverts. Dans le même temps, des outils d'analyse et de synthèse performants ont été développés, dans le cadre H2 et H¥ notamment. Leur mise en œuvre pour de très grands systèmes (composés le plus souvent de sous-systèmes interconnectés) peut cependant poser problème, et ce d'autant que des contraintes de structure sont appliquées au correcteur.

L'élaboration de commandes pour les systèmes complexes requiert à l'évidence de la méthodologie. A cette fin, ce document s'intéresse à l'analyse des interconnexions internes au système pour choisir la structure du régulateur la mieux appropriée. Il considère également la problématique du choix du critère et la possibilité d'aborder séquentiellement l'optimisation globale d'un correcteur H2. Ces réflexions à caractère méthodologique sont mises en œuvre sur un système expérimental (multi-moteurs) d'entraînement de bande flexible.

Les systèmes implicites (dits aussi " descripteurs ") peuvent décrire des processus régis à la fois par des équations dynamiques et statiques et permettent de préserver la structure des systèmes physiques. Ils comportent trois types de modes : dynamiques finis, infinis (réponse temporelle impulsive (en cas continu) ou acausale (en cas discret)) et statiques. Dans le cadre du formalisme descripteur, les contributions de cette thèse sont triples : i) revisiter des résultats existants pour les systèmes d'état, ii) étendre certains résultats classiques au cas des systèmes implicites, iii) résoudre rigoureusement des problèmes de commande non standard. Ainsi, le présent mémoire commence par revisiter les résultats concernant la caractérisation LMI stricte de la dissipativité, les caractérisations de l'admissibilité et des performances H2 ou H∞ par LMI étendues et les équations de Sylvester et de Riccati généralisées. Il aborde dans un deuxième temps, le problème de stabilisation simultanée, avec ou sans critère H∞, à travers l'extension de certains résultats récents au cas des systèmes implicites. La solution proposée s'appuie sur la résolution combinée d'une équation algébrique de Riccati généralisée (GARE) et d'un problème de faisabilité sous contrainte LMI stricte. Il traite enfin des problèmes H2 et H∞ non standards : i) en présence de pondérations instables voire impropres, ii) sous contraintes de régulation; dans le cas des systèmes implicites. Ces dernières contributions permettent désormais de traiter rigoureusement, sans approximations ou transformations, de nombreux problèmes H2 ou H∞ formalisant des problèmes pratiques de commande, dont ceux faisant intervenir une pénalisation haute fréquence de la commande ou un modèle interne instable des signaux exogènes.

Les Véhicules Etroits et Inclinables (VEI) sont la convergence d'une voiture et d'un motocycle. Un mètre de largeur seulement suffit pour transporter une ou deux personnes en Tandem. Les VEI sont conçus dans le but de résoudre partiellement les problèmes de trafic routier, de minimiser la consommation énergétique et l'émission de polluants. De par leurs dimensions(ratio hauteur/largeur), ces véhicules doivent s'incliner en virage pour rester stable en compensant l'effet de l'accélération latérale. Cette inclinaison doit dans certains cas être automatique : elle peut être réalisée à l'aide d'un couple d'inclinaison généré par un actionneur dédié (système DTC), soit encore en modulant l'angle de braquage des roues (Système STC). Nous avons proposé dans ce mémoire une méthodologie de synthèse d'un régulateur structuré minimisant la norme H2 d'un problème bien posé au bénéfice d'une régulation optimisée de l'accélération latérale, considérant tour à tour les systèmes DTC et STC. Les régulateurs proposés sont paramétrés par la vitesse longitudinale et s'avèrent performants et robustes, et les moyens de réglages proposés permettent d'étudier l'intérêt relatif d'une solution DTC pure ou mixte DTC/STC, permettant de supporter les développements futurs sur le sujet. L'originalité des solutions proposées en regard des études rencontrées dans la littérature porte en particulier sur le fait de choisir de réguler directement l'accélération latérale perçue (plutôt que l'angle d'inclinaison), en anticipant la prise de virage par la prise en compte des angles et vitesse de braquage. L'optimisation de la régulation permet de réduire de manière importante le couple d'inclinaison requis, et l'accélération latérale subie par les passagers est faible. Tous les développements proposés s'appuient naturellement en amont sur un travail de modélisation (recherche du modèle juste nécessaire), et de bibliographie conséquent. Le modèle retenu comprend 5 degrés de libertés. Nous avons démontré qu'il possédait la propriété intéressante d'être plat, et avons utilisé cette propriété pour ouvrir des perspectives relatives à la conception d'un régulateur non-linéaire robuste, susceptible apriori d'accroître les performances dans le cas de " grands mouvements ". Au contraire de ce qui existe dans la littérature,le régulateur multivariable conçu pour le système SDTC permet le contrôle coordonné des actions sur les systèmes STC et DTC.

Cette thèse propose d'étudier la robustesse des commandes issues de la théorie des jeux adaptée aux systèmes multientrées, multiobjectifs. De façon générale les stratégies avec une structure d'information en boucle ouverte présentent des propriétés faibles de robustesse et ne peuvent être déterminées qu'a posteriori. Des exemples exhibent certaines limites. Les stratégies avec une structure d'information en boucle fermée sont beaucoup plus ardues à déterminer. Dans le cas d'une stratégie de Nash, un nouvel algorithme utilisant le manque de confiance est présenté pour résoudre les équations couplées algébriques de type Riccati. Pour une stratégie de Stackelberg avec une structure d'information en boucle fermée les conditions nécessaires et suffisantes sont déterminées et appliquées au problème de commande mixte H2 / Hinf. Enfin une extension à des systèmes comportant des incertitudes paramétrées mène à la résolution itérative d'une association non convexe de problèmes d'optimisation.

Cette thèse est dédiée à la pré-calibration des nouveaux systèmes d’aides à la conduite (ADAS). Le développement de ces systèmes est devenu aujourd’hui un axe de recherche stratégique pour les constructeurs automobiles dans le but de proposer des véhicules plus sûrs et moins énergivores. Cette thèse contribue à une vision méthodologique multi-critère, multi-modèle et multi-scénario. Elle en propose une instanciation particulière pour la pré-calibration spécifique au Lane Centering Assistance (LCA). Elle s’appuie sur des modèles dynamiques de complexité juste nécessaire du véhicule et de son environnement pour, dans le cadre du formalisme H2/H∞, formaliser et arbitrer les compromis entre performance de suivi de voie, confort des passagers et robustesse. Les critères élaborés sont définis de manière à être d’interprétation aisée, car directement liés à la physique, et facilement calculables. Ils s’appuient sur des modèles de perturbations exogènes (e.g. courbure de la route ou rafale de vent) et de véhicules multiples mais représentatifs, de manière à réduire autant que possible le pessimisme tout en embrassant l’ensemble des situations réalistes. Des simulations et des essais sur véhicules démontrent l’intérêt de l’approche
This thesis deals with the tuning of the new Advanced Driving Assistance Systems (ADAS). The development of these systems has become nowadays a strategic line of research for the automotive industry towards the conception of safer and fuel-efficient vehicles.This thesis contributes to a multi-criterion, multi-modeland multi-scenario methodological vision of the tuning process. It is presented through a specific application of the tuning of the Lane Centering Assistance (LCA). It relies on vehicle and environment’s dynamical models of adequate complexity in the aim of formalizing and managing, in a H2/H∞ framework, the trade-off between performance, comfort and robustness. The formulated criteria are easy to compute and defined in a way to be understandable, closely linked to practical specifications. The whole methodology is driven by the research of a pertinent trade-off between realism (being as closest as possible to reality) and complexity (quick evaluation of the criterion). The efficiency and the robustness of the approach is demonstrated through high-fidelity simulations and numerous tests on real vehicles

Cette thèse s'inscrit dans le thème des travaux relatifs aux techniques linéaires pour la maîtrise des systèmes non linéaires. Il s'agit d'une approche qui consiste à approximer le système non linéaire par un ensemble de systèmes linéaires incertains pour lesquels sont déterminées des commandes via les méthodes classiques des systèmes linéaires (LQ, LQG, placement de pôles, H2, H¥, etc). La commande globale consiste en un séquencement des gains locaux en fonction de l'état mesuré sur le système. Nombre d'approches multi-modèles qui vont dans cette direction comportent un degré d'imprécision, d'approximation assez élevé. Pour ce type d'approche, l'évaluation des performances et leur validation ne peut passer que par des simulations, un moyen, qui pour être à peu près convaincant, se doit d'être très lourd. L'approche développée ici a pour ambition de proposer une synthèse pas à pas de commande qui permette d'assurer un certain niveau de performances garanties. Le premier pas dans cette direction est fourni par la technique qui permet d'approximer le système non linéaire par un ensemble de systèmes linéaires (système linéaire par morceaux) avec un niveau de précision prédéfini et paramétré. Le deuxième pas est l'utilisation de méthodes de commande robustes à base de LMIs, qui vont permettre d'assurer la stabilité locale dans un domaine non infinitésimal de l'espace d'état. L'approche permet de maîtriser la complexité de la commande globale et des techniques de séquencement en permettant l'obtention d'une cardinalité raisonnable pour l'ensemble des systèmes linéaires approximants. Cette approche est illustrée sur des applications réalistes: un pendule inversé simple, un moteur et un panneau solaire.

The controlled atmospheric re-entry associated with the precision soft-landing of Reusable Launch Vehicles (RLVs) on Earth is very challenging as it depends on multiple parameters [1]. Over the last decade, the cost-effectiveness of such a technology has been finally demonstrated with the successful recoveries of SpaceX’s Falcon 9 first-stage rocket first [2], then followed by other companies such as the Rocket Lab’s Electron micro-launcher [3]. This breakthrough has been made possible by the development of advanced and robust computational methods able to generate in real time the flight conditions and to command the optimal vehicle's deflections accordingly to achieve a safe pinpoint landing. Indeed, during an Earth atmospheric re-entry, the vehicle is subjected to fast system dynamics changes partly induced by external loads associated with the terrestrial environment (e.g., lift, drag, wind and gusts), but also by the actuation commands to answer the landing constraints satisfaction and the vehicle integrity preservation. All those involve uncertainties and nonlinearities, which lead to vehicle’s instability and therefore give reason why for a highly performant Guidance, Navigation and Control system implementation [4]. More particularly, one of the critical aspects is the design of a robust control strategy capable of counteracting the previously defined disturbances and uncertainties while satisfying the strict accuracy requirements associated with the pinpoint landing [5]. As demonstrated by the current state-of-the-art on control design for launchers [6-7], the classical linear control theory represents a rich heritage with a lot of applications. This choice was motivated by its relative easiness of implementation and the possibility to use gain-scheduling techniques to adapt to nonlinear systems. Nevertheless, these techniques are well-adapted to the control system design of single-input single-output systems, such as for example a reusable rocket using a Thrust Vector Control (TVC) system as the unique actuator. The implementation of multiple-input multiple-output control systems becomes then complex since every channel is addressed in a single-loop fashion. This capability is however required for the future generation of reusable rocket, using also aerodynamic steering based on fins in addition to the TVC system for enhancing control authorities. Moreover, model uncertainties are not accurately considered in the design process, developed only with nominal conditions and stability margin requirements. For all these reasons, it results in an extensive (both in terms of time and cost) Verification and Validation campaign with many iterations and Monte-Carlo analyses to assess the performance and robustness of the control system. To overcome these drawbacks, the H-infinity family of methods, introduced a few years ago [8], provides with a powerful solution for robust control design. It relies on defining the control requirements in the frequency domain in terms of weighting functions and minimising the maximum gain of the resulting weighted system from the exogenous inputs to the outputs to be controlled. Moreover, the control-plant interaction is modelled through a Linear Fractional Transformation (LFT) representing the feedback action. Finally, the structured H-infinity method [9] allows to directly impose a specific control structure – like a Proportional-Integral-Derivative (PID), enabling the re-use of gain-scheduling techniques – and to consider parametric uncertainties for enhanced robustness. This paper studies the synthesis of a robust control system via structured H-infinity for the RLV atmospheric re-entry problem. First, the nonlinear 6-Degree-of-Freedom (6-DoF) RLV re-entry dynamics are simplified into a linear model and then linearised along a reference trajectory to get the nominal LFT of the system, then augmented with parametric uncertainties. The model covers the atmospheric re-entry and vertical landing of a first-stage rocket equipped with a TVC system and steerable planar fins. The controllers are built at different points of the re-entry trajectory, using the structured H-infinity framework through PID-like structures. Weighting functions considering the control objectives and requirements of a realistic RLV re-entry scenario are implemented. A robust stability analysis of the obtained system is performed via classical stability margins and structured singular value. Finally, the controllers are gain-scheduled and validated via Monte-Carlo analyses, using a nonlinear 6-DoF RLV re-entry dynamics simulator equipped with successive convex optimisation guidance. The performance of the resulting guidance and control architecture is compared with the baseline developed in previous works [10], using a TVC system only and classical linear feedback control through gain-scheduled PID controllers. This study lies within the ASCenSIon (Advancing Space Access Capabilities - Reusability and Multiple Satellite Injection) project, an innovative training network funded within H2020. References: [1] L. Blackmore, “Autonomous Precision Landing of Space Rockets”, The Bridge on Frontiers of Engineering, Vol. 4, No. 46, pp. 15–20 (2016). [2] M. Wall, “Wow! SpaceX Lands Orbital Rocket Successfully in Historic First”, SPACE.com (2015). Retrieval Date: 20-Jan-2022. URL: https://www.space.com/31420-spacex-rocket-landing-success.html [3] Rocket Lab (2017). “Rocket Lab Electron 'Its a Test' flight successfully makes it to space”. Retrieval Date: 20-Jan-2022. URL: https://www.rocketlabusa.com/updates/rocket-lab-successfully-makes-it-to-space-2/ [4] P. Simplício, A. Marcos, and S. Bennani. “Reusable Launchers: Development of a Coupled Flight Mechanics, Guidance, and Control Benchmark", Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 57, No. 1, pp. 74-89 (2020). [5] Marco Sagliano et al. “Robust Control for Reusable Rockets via Structured H-infinity Synthesis”. In: Proceedings of the 11th International ESA Conference on Guidance, Navigation & Control Systems. Virtual Event, 22-25 June 2021. [6] C. Roux and I. Cruciani, “Scheduling Schemes and Control Law Robustness in Atmospheric Flight of VEGA”. In: Proceedings of the 7th International ESA Conference on Guidance, Navigation and Control Systems. Tralee, County Kerry, Ireland 2-5 June 2008. [7] Erwin Mooij. Linear Quadratic Regulator Design for an Unpowered, Winged Re-entry Vehicle (Series 08 - Astrodynamics and Satellite Systems, No 3). Delft University Press, 1998. ISBN: 9040715971. [8] J. C. Doyle, K. Glover, P. P. Khargonekar, and B. A. Francis, “State-space Solutions to Standard H2 and H∞ Control Problems,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 34, no. 8, pp. 831–847, 1989. [9] P. Apkarian and D. Noll, “Nonsmooth H∞ Synthesis,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 51, no. 1, pp. 71–86, 2006. [10] Alice De Oliveira and Michèle Lavagna. “Reusable Launchers Re-entry Controlled Dynamics Simulator”. In: Proceedings of the 9th European Conference for Aeronautics and Aerospace Sciences. Lille, France, 27th June - 1st July 2022.