Dissertations / Theses on the topic 'Contrôle LPV Robuste'

Le contrôle latéral trouve de nombreuses applications dans le domaine de l'assistance à la conduite. Un grand nombre d'accidents de la route sont provoqués par des mouvements de roulis et de lacet excessifs engendrant des sorties de route. De plus, ce type d'accidents se produisent généralement sur les routes nationales et départementales, et environ 30 % des incidents impliquent des véhicules seuls. L'objectif de cette thèse est de mettre en œuvre un correcteur qui soit en mesure d'assister le conducteur dans les situations de suivi de voies et de rejeter diverses perturbations auxquelles est soumis le véhicule telles que des vents latéraux ou un dévers de la route, tout en respectant les contraintes de confort, d'agrément de conduite et les limitations pratiques de l'actionneur de direction. La stratégie d'assistance retenue consiste à ajouter un couple à celui délivré par le conducteur grâce à l'intégration d'un moteur à courant continu sur la colonne de direction. Elle tient compte des trois composantes que sont le véhicule, la colonne de direction et le conducteur. Les travaux se sont donc focalisés sur les techniques de commande robuste qui utilisent les synthèses Hinfini et Hinfini-LPV complétées des méthodes de réduction de modèles. D'abord dans le cadre d'une synthèse de correcteur Hinfini à vitesse fixe, les spécifications sont respectées. Le dispositif d'assistance active confère au système en boucle fermée de bonnes propriétés de robustesse comme l'a montré la mu-analyse. Ensuite pour améliorer le domaine de stabilité du système commandé, un correcteur séquencé par la vitesse longitudinale est synthétisé. Il est plus performant
Lateral control finds many applications in the field of driving assistance. A large number of vehicle accidents results from unexpected excessive yaw motion such as spin-out and lane departure. In addition, such type of accidents generally occurs on rural road, and about 30 % of fatalities in France are due to accidents with vehicle alone. The thesis aims at synthesizing a controller which assists the driver in the situations of lane keeping and disturbance rejections. The vehicle is subject to lateral wind and road banking and the control strategy must ensure driving comfort criteria and must respect the physical limitations of the actuator. The assistance strategy adopted consists in adding a supplementary torque using a motorized direction system to that of the driver. It takes into account three components which are the vehicle, the steering column and the driver. The developments focus on the Hinfinity and Hinfinity-LPV robust control theory completed with the model reduction methods. First, in the context of an Hinfinity synthesis at fixed longitudinal velocity, the specifications are satisfied. The active assistance system ensures good closed loop robustness properties as shown by the mu-analysis. Secondly, in order to increase the stability of the controlled system, a controller scheduled by the longitudinal velocity is synthesized. The performances are better

La thèse est consacrée au développement d'une méthodologie de stabilité et de stabilisation pour les systèmes linéaires paramètres-dépendants et à retard soumis à la saturation de la commande. Dans le processus industriel, l'amplitude du signal de commande est généralement limitée par les contraintes de sécurité, les limites du cycle physique, etc. Pour cette raison, un outil de synthèse et d'analyse approprié est nécessaire pour décrire avec précision les caractéristiques des systèmes saturés à paramètres linéaires variables. Dans la première partie, une forme dépendante des paramètres de la condition de secteur généralisée (GSC) est considérée pour résoudre le problème de stabilisation saturée. Plusieurs stratégies de contrôle de rétroaction sont étudiées pour stabiliser les systèmes LPV/qLPV saturés. Conditions de stabilisation nécessaires et suffisantes via la formulation d'inégalité matricielle linéaire paramétrée proposée pour les contrôleurs de retour d'état conformes aux exigences de conception (c'est-à-dire l'ensemble admissible des conditions initiales, la région estimée du domaine de convergence asymptotique, la stabilité et les performances robustes sous l'influence des perturbations, etc.). La relaxation des PLMI conçus est illustrée par les résultats de comparaison à l'aide d'une fonction de Lyapunov dépendante des paramètres. Dans la deuxième partie, les développements de stabilité dépendant du délai basés sur la fonctionnelle de Lyapunov-Krasovskii (LKF) sont présentés. Les techniques modernes de limitation avancées sont utilisées avec un équilibre entre conservatisme et complexité de calcul. Ensuite, des analyses de stabilisation de saturation pour les contrôleurs d'ordonnancement de gain. Inspirée des méthodes de système à retard incertain, une nouvelle condition de stabilisation est dérivée de l'analyse de stabilisation dépendante du retard pour le système à retard LPV soumis à des contraintes de saturation. Dans cet aspect, les contrôleurs de rétroaction à programmation de gain stabilisants améliorent les performances et la stabilité du système saturé et fournissent un grand domaine d'attraction. On peut souligner que la formulation dérivée est générale et peut être utilisée pour le contrôle de la conception de nombreux systèmes dynamiques. Enfin, pour maximiser la région d'attraction tout en garantissant la stabilité asymptotique du système en boucle fermée, un problème d'optimisation est inclus dans la stratégie de conception de commande proposée
The dissertation is devoted to developing a methodology of stability and stabilization for the linear parameter-dependent (PD) and time-delay systems (TDSs) subject to control saturation. In the industrial process, control signal magnitude is usually bounded by the safety constraints, the physical cycle limits, and so on. For this reason, a suitable synthesis and analysis tool is needed to accurately describe the characteristics of the saturated linear parameter-varying (LPV) systems. In the part one, a parameter-dependent form of the generalized sector condition (GSC) is considered to solve the saturated stabilization problem. Several feedback control strategies are investigated to stabilize the saturated LPV/qLPV systems. Necessary and sufficient stabilization conditions via the parameterized linear matrix inequality (PLMI) formulation proposed for the feedback controllers conforming to the design requirements (i.e., the admissible set of the initial conditions, the estimated region of the asymptotic convergence domain, the robust stability and performance with the influence of perturbations, Etc.). The relaxation of the designed PLMIs is shown through the comparison results using a parameter-dependent Lyapunov function (PDLF). In the second part, the delay-dependent stability developments based on Lyapunov-Krasovskii functional (LKF) are presented. The modern advanced bounding techniques are utilized with a balance between conservatism and computational complexity. Then, saturation stabilization analyzes for the gain-scheduling controllers. Inspired by uncertain delay system methods, a novel stabilization condition is derived from the delay-dependent stabilizing analysis for the LPV time-delay system subject to saturation constraints. In this aspect, the stabilizing gain-scheduling feedback controllers improve the performance and stability of the saturated system and provide a large attraction domain. It can be emphasized that the derived formulation is general and can be used for the design control of many dynamic systems. Finally, to maximize the attraction region while guaranteeing the asymptotic stability of the closed-loop system, an optimization problem is included to the proposed control design strategy

Le travail abordé dans ces travaux de thèse se place dans le contexte de la conduite autonome. Plus particulièrement, l'objectif est le développement d'une loi de commande pour le suivi de trajectoire d'un véhicule autonome pour des manœuvres d'évitement d'obstacles à haute dynamique.Plusieurs modèles non-linéaires de dynamique du véhicule, capables de représenter son comportement dans des manœuvres à haute dynamique, sont proposés. Le but de la modélisation est d'obtenir un modèle pour la synthèse des correcteurs. L'ensemble de modèles proposés considère les dynamiques des vitesses longitudinale, latérale et de lacet du véhicule, en vue de la synthèse des correcteurs abordant simultanément le contrôle longitudinale et latérale du véhicule. De plus, un modèle non-linéaire des forces des pneus et une représentation variable du transfert de charge ont été utilisés, très importants pour des manouvres à haute dynamique. Des simulations permettent de comparer les différents modèles entre eux et de choisir le plus approprié pour la synthèse du correcteur.Un modèle linéaire variable dans le temps est formulé grâce à une linéarisation le long d'une trajectoire de référence du modèle non-linéaire choisi. En utilisant les approches LPV polytopique et grid-based, ce modèle linéarisé est utilisé pour la définition de deux modèles LPV.Les deux modèles LPV sont donc utilisés pour la synthèse de plusieurs correcteurs, statiques et dynamiques, qui combinent le braquage et le couple aux roues pour stabiliser le véhicule et garantir le suivi de trajectoire sur un ensemble varié de manœuvres d'évitement d'obstacles. La synthèse des correcteurs est effectuée en utilisant la commande robuste et optimale multi-objectif, au moyen de la résolution de problèmes d'optimisation sous contraintes LMI. La prise en compte des saturations des signaux de commande et des forces des pneus permet de maximiser la taille de la région d'attraction du système en boucle fermée pendant la synthèse des correcteurs.Des simulations exploitant un modèle du véhicule à haute représentativité permettent d'analyser la performance du système en boucle fermée en cas des conditions initiales différentes de zéro et de dispersions paramétriques
The work proposed in this thesis is in the context of autonomous driving. In particular, the objective is the development of a control law for path tracking of collision avoidance maneuvers for an autonomous vehicle.Several non-linear models of the vehicle, capable of representing its behavior in high dynamics maneuvers, are presented. The purpose is to obtain a model for the synthesis of the controllers. The different vehicle models proposed take into consideration the dynamics of the longitudinal, lateral and yaw vehicle speeds. That allows to use the models for the synthesis of controllers that deals simultaneously with vehicle longitudinal and lateral control. Moreover, a non-linear model for tire forces and the variable representation for load transfer have been used for the vehicle models. In fact, the representation of the non-linear behavior of the tires, influenced by the load transfer, is critical in high dynamics maneuvers. Some simulation results allow to compare the different vehicle models and to choose the model used for the controllers synthesis.A linear time-variant model is obtained through the linearization of the chosen non-linear model. The LPV polytopic and grid-based approaches are then used to define two LPV models.Several controllers, static and dynamic, have been developed using the two LPV models. These controllers combine the wheels steering ang torques to stabilize the vehicle and to guarantee the vehicle path tracking on a set of collision avoidance maneuvers. The synthesis of the controllers is done using robust and optimal control methods, through the resolution of optimization problems subjected to LMI constraints. The saturations of the control signals and of the tire forces are taken into consideration in the control synthesis in order to maximize the region of attraction of the system in closed loop.Several simulation results, obtained using a high representativity simulation model, allow to asses the closed loop system performances in presence of non-zero initial conditions and parameter dispersions

La surveillance des systèmes industriels et/ou embarqués constitue une préoccupation majeure en raison de l’accroissement de leur complexité et des exigences sur le respect des profilsde mission. La détection d’anomalies tient une place centrale dans ce contexte. Fondamentalement,les procédures de détection à base de modèles consistent à comparer le fonctionnement réel dusystème avec un fonctionnement de référence établi à l’aide d’un modèle sans défaut. Cependant,les systèmes à surveiller présentent souvent des dynamiques non linéaires et difficiles à caractériserde manière exacte. L’approche retenue dans cette thèse consiste à englober leur influencepar des incertitudes bornées. La propagation de ces incertitudes permet l’évaluation de seuils dedécision visant à assurer le meilleur compromis possible entre sensibilité aux défauts et robustesseaux perturbations tout en préservant une complexité algorithmique raisonnable. Pour cela, unepart importante du travail porte sur l’extension des classes de modèles dynamiques à incertitudesbornées pour lesquels des observateurs intervalles peuvent être obtenus avec les preuves d’inclusionet de stabilité associées. En s’appuyant sur des changements de coordonnées variant dans letemps, des dynamiques LTI, LPV et LTV sont considérées graduellement pour déboucher sur desclasses de dynamiques Non Linéaires à Incertitudes Bornées continues (NL-IB). Une transformationdes modèles NL-IB en modèles LPV-IB a été utilisée. Une première étude sur les non-linéaritésd’une dynamique de vol longitudinal est présentée. Un axe de travail complémentaire porte surune caractérisation explicite de la variabilité (comportement aléatoire) du bruit de mesure dansun contexte à erreurs bornées. En combinant cette approche à base de données avec celle à basede modèle utilisant un prédicteur intervalle, une méthode prometteuse permettant la détection dedéfauts relatifs à la position d’une surface de contrôle d’un avion est proposée. Une étude portenotamment sur la détection du blocage et de l’embarquement d’une gouverne de profondeur
The monitoring of industrial and/or embedded systems is a major concern accordingto their increasing complexity and requirements to respect the mission profiles. Detection of anomaliesplays a key role in this context. Fundamentally, model-based detection procedures consist incomparing the true operation of the system with a reference established using a fault-free model.However, the monitored systems often feature nonlinear dynamics which are difficult to be exactlycharacterized. The approach considered in this thesis is to enclose their influence through boundeduncertainties. The propagation of these uncertainties allows the evaluation of thresholds aimingat ensuring a good trade-off between sensitivity to faults and robustness with respect to disturbanceswhile maintaining a reasonable computational complexity. To that purpose, an importantpart of the work adresses the extension of classes of dynamic models with bounded uncertaintiesso that interval observers can be obtained with the related inclusion and stability proofs. Based ona time-varying change of coordinates, LTI, LPV and LTV dynamics are gradually considered tofinally deal with some classes classes of nonlinear continuous dynamics with bounded uncertainties.A transformation of such nonlinear models into LPV models with bounded uncertainties has beenused. A first study on nonlinearities involved in longitudinal flight dynamics is presented. A complementarywork deals with an explicit characterization of measurement noise variability (randombehavior of noise within measurement) in a bounded error context. Combining this data-drivenapproach with a model-driven one using an interval predictor, a promising method for the detectionof faults related to the position of aircraft control surfaces is proposed. In this context, specialattention has been paid to the detection of runaway and jamming of an elevator

Le Contrôle Global du Châssis (CGC) est une tâche cruciale dans les véhicules intelligents. Il consiste à assister le conducteur par l'intermédiaire de plusieurs fonctionnalités automatisées, notamment à des fins de sécurité active et de confort. Etant donné que les dynamiques de ces fonctionnalités sont interconnectées, les performances attendues sont parfois contradictoires. Par conséquent, le CGC consiste à coordonner les différents systèmes ADAS « Advanced Driving Assistance Systems » afin de créer des synergies entre les dynamiques interconnectées pour améliorer les performances globales du véhicule. Plusieurs stratégies de coordination puissantes ont déjà été développées, soit dans le monde académique, soit dans le monde industriel pour gérer ces interconnexions. Du fait que les besoins en matière de sécurité active augmentent d'un côté et que la technologie pouvant être intégrée dans les véhicules évolue, une intense activité de recherche et développement est toujours en cours dans le domaine du contrôle global du châssis. Cette thèse analyse différentes interconnexions dynamiques et développe des nouvelles stratégies CGC dans lesquelles le braquage actif avant, le freinage différentiel actif et les suspensions actives sont coordonnés - tous ensemble ou partiellement afin d'améliorer les performances globales du véhicule, à savoir l'évitement du renversement, la stabilité latérale, le confort de conduite (manœuvrabilité) et confort des passagers. Plusieurs architectures multicouches formées par trois couches hiérarchiques sont proposées. La couche inférieure représente les actionneurs implémentés dans le véhicule qui génèrent leurs entrées de commande en fonction des ordres envoyés depuis la couche intermédiaire. La couche intermédiaire est la couche de contrôle qui est chargée de générer les entrées de contrôle qui minimisent les erreurs entre les variables d'état souhaitées et réelles du véhicule, à savoir les mouvements de lacet, de dérapage, de roulis, de tangage et de soulèvement, quelle que soit la situation de conduite. La couche supérieure est la couche de prise de décision. Elle surveille instantanément la dynamique du véhicule selon différents critères, puis génère des paramètres de pondération pour adapter les performances des contrôleurs en fonction des conditions de conduite, c'est-à-dire pour améliorer la manœuvrabilité, la stabilité latérale, l'évitement du renversement et le confort de conduite du véhicule. Les architectures proposées se diffèrent dans les couches de contrôle et de décision en fonction des actionneurs intégrés proposés. Par exemple, les couches de décisions se diffèrent par les critères qui surveillent la dynamique du véhicule et la manière dont la décision est prise (logique floue ou relations explicites). Les couches de contrôle se diffèrent par leurs structures, où des contrôleurs centralisés et décentralisés sont développés. Dans l'architecture centralisée, un seul contrôleur optimal MEMS Multi-Entrées-Multi-Sorties génère les entrées de commande optimales basées sur la technique de commande LPV/H∞. Dans l'architecture décentralisée, les contrôleurs sont découplés. La technique STSM (Super-Twisting Sliding Mode) est appliquée pour déduire chaque entrée de commande. Les architectures proposées sont testées et validées sur le simulateur professionnel SCANeR Studio et sur un modèle complexe non linéaire du véhicule. La simulation montre que toutes les architectures sont pertinentes pour le contrôle global du châssis. Celle centralisée est optimale, complexe et garantit la stabilité globale, tandis que celle décentralisée ne garantit pas la stabilité globale, mais elle est intuitive, simple et robuste
Global Chassis Control (GCC) is crucial task in intelligent vehicles. It consists of assisting the driver by several automated functionalities especially for active safety and comfort purposes. Due to the fact that the dynamics of these functionalities are interconnected, thus the awaited performances are sometimes contradictory. Hence, the main task in GCC field is to coordinate the different Advanced Driving Assistance Systems (ADAS) to create synergies between the interconnected dynamics in order to improve the overall vehicle performance. Several powerful coordination strategies have already been developed either in the academic world or in the industrial one to manage these interconnections. Because the active safety needs are increasing from one side, and the technology that can be embedded into vehicles is evolving, an intense research and development is still involved in the field of global chassis control. This thesis analyzes di_erent dynamics interconnections and develops new several GCC strategies where the Active Front Steering, Active Differential Braking, and the Active Suspensions are coordinated - all together or partially - to improve the vehicle overall performance i.e. the rollover avoidance, the lateral stability, the driving comfort (maneuverability), and the ride comfort. Several multilayer architectures formed by three hierarchical layers are proposed. The lower layer represents the actuators implemented into the vehicle which generate their control inputs based on the orders sent from the middle layer. The middle layer is the control layer which is responsible to generate the control inputs that minimize the errors between the desired and actual vehicle state variables i.e. the yaw, side-slip, roll, pitch, and heave motions, regardless of the driving situation. The higher layer is the decision making layer. It instantly monitors the vehicle dynamics by di_erent criteria, then, it generates weighting parameters to adapt the controllers performances according to the driving conditions i.e. to improve the vehicle's maneuverability, lateral stability, rollover avoidance, and ride comfort. The proposed architectures di_er in the control and decision layers depending on the proposed embedded actuators. For instance, the decision layers di_er in the monitored criteria and the way the decision is taken (fuzzy logic or explicit relations). The control layers di_er in structure, where centralized and decentralized controllers are developed. In the centralized architecture, one single Multi-Input-Multi-Output optimal controller generates the optimal control inputs based on the Linear Parameter Varying (LPV)/H-infinity control technique. In the decentralized architecture, the controllers are decoupled, where the Super-Twisting Sliding Mode (STSM) technique is applied to derive each control input apart. The proposed architectures are tested and validated on the professional simulator « SCANeR Studio » and on a Full vehicle nonlinear complex model. Simulation shows that all architectures are relevant to the global chassis control. The centralized one is optimal, complex and overall stability is guaranteed, while the decentralized one does not guarantee the overall stability, but it is intuitive, simple, and robust

Récemment, les systèmes autonomes deviennent de plus en plus populaires et sont largement déployés dans plusieurs applications de notre vie quotidienne. C'est pourquoi une grande préoccupation a été consacrée au problème du contrôle tolérant aux fautes (FTC) des systèmes autonomes. De toute évidence, les drones sont parmi les systèmes qui ont besoin de tels algorithmes de FTC, car tout dysfonctionnement du système peut causer de graves dommages non seulement pour le véhicule lui-même, mais aussi pour l'environnement. Ce travail étudie donc le problème de la conception d'un algorithme FTC pour un quadrotor afin de contribuer à l'évolution de la sécurité et de la fiabilité des drones. Un tel problème est abordé à travers quelques étapes fondamentales, en commençant par l'établissement d'un modèle fiable pour le système représentant la dynamique physique avec précision. Ainsi, la formulation de Newton-Euler est utilisée pour modéliser le quadrotor, ce qui donne un modèle mathématique qui décrit la relation entre les forces appliquées et les états du système. Ensuite, le modèle non linéaire est linéarisé autour du point de vol stationnaire pour simplifier la conception de la loi de contrôle. Un modèle précis pourrait être construit dans un cadre LPV où les termes non linéaires sont considérés comme variant linéairement dans le temps dans les limites des paramètres donnés. Le modèle déduit est ensuite utilisé pour construire un contrôleur qui stabilise le quadrotor et garantit un suivi de trajectoire adéquat. Ainsi, différents types de lois de contrôle sont présentés et analysés, certains d'entre eux sont des contrôleurs linéaires comme le PID avec une technique de mise en forme de la boucle. D'autres types de contrôleurs présentés sont LQG pour gérer le système dont les mesures sont affectées par un bruit blanc gaussien et un contrôle LPV robuste basé sur la technique H_inf pour surmonter les perturbations exogènes inconnues et le bruit de mesure. Afin de fournir au quadrotor un schéma FTC efficace, une unité de détection et de diagnostic des défauts (FDD) est proposée pour identifier le type, la quantité et l'emplacement du défaut existant qui contient un observateur basé sur le modèle du systéme. Ainsi, un observateur est conçu sur la base de la technique H_/H_inf visant à maximiser la sensibilité des défauts aux signaux résiduels en utilisant les propriétés de l'indice H_, et à minimiser la norme H_inf pour l'atténuation des signaux exogènes dans le pire des cas. Ensuite, une nouvelle approche est proposée pour la conception de l'observateur basée sur une sortie auxiliaire contenant la sortie du système et ses dérivées temporelles successives. Cette approche est utilisée pour le diagnostic des défauts des actionneurs et des capteurs, y compris la détection, l'estimation et l'isolation des défauts. Il est illustré que dans certaines conditions structurelles, les défauts peuvent être estimés exactement alors que les perturbations sont complètement découplées des signaux résiduels. Cependant, si la convergence exacte n'est pas assurée, certaines conditions relaxantes sont fournies pour maintenir une estimation asymptotique des défauts. Enfin, le pire cas où les perturbations ne peuvent être découplées est présenté et traité à l'aide de l'approche H_/H_inf qui est encore améliorée en utilisant la sortie auxiliaire. Sur la base des résultats obtenus par l'unité FDD de l'actionneur, une loi de commande active tolérante aux défauts est conçue. Après l'évaluation du défaut, le FDD donne une décision pour l'unité de reconfiguration du contrôleur si le dommage de l'actionneur peut être contenu ou non. Dans le premier cas, une loi de commande est proposée afin de compenser les défauts et de suivre une trajectoire précise en présence d'un dysfonctionnement du système. Pour le second cas, un mode de sécurité est utilisé pour s'assurer que le quadrotor peut atterrir en toute sécurité sans s'écraser ou causer des dommages à l'environnement
Recently, autonomous systems are getting increasingly popular and are widely deployed in several applications in our daily life. That's why a great concern has been dedicated to the problem of autonomous systems fault-tolerant control (FTC). Evidently, the UAVs are among the systems that are in need of such FTC algorithms because any system malfunction can cause severe damage not just for the vehicle itself but for the surrounding environment as well. So this work is investigating the problem of designing an FTC algorithm for a quadrotor aiming to be a worthy contribution to the evolution of UAVs safety and reliability. Such a problem is tackled through some fundamental steps beginning with establishing a trustful model for the system representing the physical dynamics accurately. So Newton-Euler formulation is used for modeling the quadrotor resulting in a mathematical model that describes the relationship between the applied forces and the system states. After that the nonlinear model is linearized around the hovering point to simplify the control law design. A precise model could be constructed in an LPV framework where the nonlinear terms are considered as linearly time-varying within the given parameter limits. The deduced model is then used to build a controller that stabilizes the quadrotor and guarantees adequate trajectory tracking. So different types of control law are presented and analyzed some of them are linear controllers like PID provided with loop shaping technique. Other types of controllers presented are LQG to handle the system whose measurements are affected by Gaussian white noise and robust LPV control based on the H_inf technique to overcome unknown exogenous disturbances and measurement noise. In order to provide the quadrotor with an efficient FTC scheme, first, a fault detection and diagnosis (FDD) unit is proposed to identify the type, amount, and location of the existent fault. The FDD unit contains a model-based observer that generates some residual signals indicating the fault occurrence. According to the observer design, it may give just fault detection with a bank of observers for fault isolation or it can perform fault detection, estimation, and identification simultaneously. So an observer is designed based on H_/ H_inf technique aiming at maximizing the fault to residual sensitivity by using the H_ index properties, and minimizing the H_inf norm for worst-case exogenous signals attenuation. Afterward, a new approach is proposed for observer design based on an auxiliary output containing the system output and its successive time derivatives. This approach is used for both actuators and sensors fault diagnosis including fault detection, estimation, and isolation. It is illustrated that under some structural conditions, the faults can be estimated exactly while the perturbations are completely decoupled from the residual signals. However, if exact convergence is not ensured, some relaxed conditions are provided to maintain asymptotic fault estimation. Finally, the worst-case where the perturbations cannot be decoupled is presented and handled using H_/H_inf approach which is further enhanced utilizing the auxiliary output. Upon the obtained results from the actuator FDD unit, an active fault-tolerant control law is designed. After fault evaluation, the FDD gives a decision for the controller reconfiguration unit whether the actuator damage can be contained or not. For the first case, a control law is proposed aiming at fault compensation and precise trajectory tracking in the presence of system malfunction. For the latter case, a fail-safe mode is used to ensure that the quadrotor can land safely without crashing or causing harm to the surrounding environment

Orientador: Edvaldo Assunção
Resumo: Este trabalho aborda o controle via realimentação estática de saída aplicado à sistemas lineares com parâmetro variante (LPV) e lineares incertos invariantes no tempo (LIT). O projeto de ganhos de realimentação estática de saída apresentado neste trabalho é baseado no método dos dois estágios, o qual consiste em primeiramente obter um ganho de realimentação de estados, e então, utilizar esta informação no segundo estágio para obter-se o ganho de realimentação estática de saída desejado. As soluções para os problemas investigados são apresentadas na forma de desigualdades matriciais lineares (no inglês, linear matrix inequalities, LMIs), obtidas por meio da aplicação do Lema de Finsler. Baseado em resultados anteriores encontrados na literatura, este trabalho propõe uma estratégia de relaxação de forma a obter um método menos conservador para obtenção de ganhos robustos de realimentação estática de saída para sistemas incertos LTI. Na estratégia proposta, as variáveis adicionais do Lema de Finsler são consideradas como dependentes de parâmetro, juntamente com o uso de funções de Lyapunov dependentes de parâmetro (no inglês, parameter-dependent Lyapunov functions, PDLFs). É apresentado um estudo avaliando a eficácia da estratégia proposta em fornecer uma maior região de factibilidade para um dado problema. Os resultados foram utilizados em uma comparação com um método de relaxação baseado apenas no uso de PDLFs. Uma segunda contribuição deste trabalho consiste na proposta de um... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo)
Abstract: The static output feedback (SOF) control applied to linear parameter-varying (LPV) and uncertain linear time-invariant (LTI) systems are addressed in this work. The approach chosen for the design of SOF gains is based on the two-stage method, which consists in obtaining a state feedback gain at first, and then using that information for deriving the desired SOF gain at the second stage. The solutions for the investigated problems are presented in terms of linear matrix inequalities (LMIs), obtained by means of the application of the Finsler's Lemma. Based on previous papers found in literature, this work proposes a relaxation strategy in order to achieve a less conservative method for obtaining robust SOF gains for uncertain LTI systems. In the proposed strategy, the Finsler's Lemma additional variables are considered to be parameter-dependent along with the use of parameter-dependent Lyapunov functions (PDLFs). A study evaluating the effectiveness of the proposed strategy in providing a larger feasibility region for a given problem is presented. The results were used in a comparison with a relaxation method based only on PDLFs. Another contribution of this work lies in the proposal of a solution for the control of LPV systems via the design of a gain-scheduled SOF controller. The methods proposed for both control problems were applied on the design of controllers for an active suspension system. In the experiments, it was assumed that only one of its four system's states wer... (Complete abstract click electronic access below)
Mestre

Les travaux effectués lors de cette thèse se sont focalisés sur les applications des méthodes et techniques d’Automatique avancée à des problématiques actuelles de l’automobile. Les sujets abordés ont porté sur trois axes fondamentaux en s’appuyant sur des techniques telles que la synthèse H infini LTI et q-LPV, la linéarisation par bouclage dynamique, la retouche de correcteurs de type PI en particulier et l’optimisation des pondérations des filtres nécessaires aux synthèses H infini :• Contrôle de la trajectoire d’un véhicule automobile. Nous avons proposé une structure de commande reprenant une démarche classiquement mise en œuvre dans le milieu aéronautique ou spatial.• Contrôle de la chaîne d’air d’un moteur essence, turbocompressé. Nous avons proposé une formulation novatrice de type q-LPV du modèle du moteur. Cette formulation d’un nouveau modèle de commande nous a permis de synthétiser des correcteurs évolués à paramètres variables qui s’adaptent automatiquement au point de fonctionnement.• Contrôle du freinage d’un véhicule électrique. Pour cette partie, nous avons précisé la motivation et l’intérêt des véhicules électriques, puis étudié le gain d’autonomie potentiellement accessible par la mise en œuvre d’une récupération d’énergie au freinage. Finalement, des solutions permettant de réduire les oscillations induites dans la chaîne de traction par des demandes de couple freineur à la machine électrique ont été développées
The work achieved in this PhD thesis is dedicated to applications of advanced control methodologies to problems currently faced in the automotive field. Three main areas of investigation were successively considered, using advanced techniques such as H infinity LTI and q-LPV design procedures, dynamic feedback linearization, retuning of controllers, in particular PI-type, and optimization of filters required by the H infinity design procedure:• Trajectory control of automotive vehicle. A control structure has been proposed which is based on the procedure classically developed in the aeronautics field.• Robust nonlinear control of the air path of an internal combustion engine. An innovative q-LPV formulation of the motor has been proposed, which has enabled design of advanced controllers with varying parameters. These parameters are automatically updated according to the operating point.• Optimal control laws for brakes’s torque blending on electrical vehicle. Motivation and interest for electrical vehicle has been first detailed, then potential gain in autonomy due to regenerative braking has been studied. Finally, solutions which reduce oscillations in the power train chain induced by torque demand to the electrical machine during braking phases has been developed

L'objectif principale de cette thèse est de développer contrôleurs innovants MIMO pour la dynamique véhicule tout en préservant la stabilité du véhicule dans les situations de conduite critiques. Des stratégies de commandes innovatrices ont été introduites pour résoudre cette problématiques. En effet, ces travaux se base sur travaux l'utilisation de la commande LPV/Hinf pour contrôler simultanément les actionneurs de freinage, braquage et de suspensions pour réaliser les objectives du contrôle.Aussi de stratégies d'estimation du profil de route très intéressant et qui peuvent apporter une solution industrielle très intéressante pour développer des contrôleurs qui assurent adaptative aux différentes conditions de route.Aussi des stratégies de commande tolérante aux défauts actionneurs ont été établi en exploitant les caractéristiques de la commande LPV pour compenser la perte de certains actionneurs (en sachant que la voiture est un système sur actionné). Des implémentations ont été effectuées sur des bancs de test et sur un véhicule réel pour prouver l'efficacité des stratégies
The main issue of this thesis is to work out new Global Chassis MIMO controllers that enhance the overall dynamics of the vehicle while preserving the vehicle stability in critical driving situations. Many innovative strategies have been explored and finalized to deal with these problematics. Various solutions have been given to deal with the vehicle stability and performance objectives. Indeed, many works based on the LPV/Hinf approach have been developed to control simultaneously the braking, steering and suspension actuators. On the other hand, innovative road profile estimation strategies have been introduced and validated via experimental procedures, providing new cheap and easily implementable techniques to estimate the road profile characteristics. Then, the vehicle control is adapted, depending on the road roughness (since it influences greatly the behaviour and the stability of the car). Several fault tolerant control strategies have been also considered to handle the actuators failures while keeping the vehicle stability, safety and enhancing the dynamical behaviour of the car in dangerous and critical driving situations.The general content of this thesisis as follows :-PART I : Theoretical backgrounds and vehicle modeling.-PART II : Road adaptive control vehicle dynamics.-PART III : Global chassis control using several actuators.Also, during this thesis and using the previous works of the advisors and the thesis results, a Matlab ToolBox "Automotive" has been developed to provide a bench test for the different automotive control studies. Implementations on test beds and real vehicle are also achieved to prove the efficiency of the proposed strategies

L'utilisation de correcteur discret à période d'échantillonnage variable peut être intéressante dans plusieurs cas, par exemple lorsque la mesure, bien qu'envoyée de façon périodique, est reçue à intervalle variable. C'est le cas en milieu marin lorsque la mesure d'altitude est effectuée avec un capteur à ultrason (la durée du trajet du signal dans l'eau dépend de la distance par rapport au fond). Le délai variable entre deux réceptions de mesures, peut être vu comme une variation de période d'échantillonnage pour le contrôleur. La synthèse de lois de commande discrète à période d'échantillonnage variable a déjà été étudiée pour des systèmes stationnaires. On se propose ici d'étendre cette méthode pour des systèmes Linéaires à Paramètres Variants (LPV), qui permettent de conserver des paramètres importants d'un système non-linéaire en temps que paramètres d'un système linéaires. La synthèse de contrôleur repose sur le méthodologie H∞, appliquée aux systèmes LPV. En particulier, on s'intéressera à deux approches existantes dans la littérature : l'approche polytopique (où le paramètre variant évolue dans un volume convexe) et la Représentation Linéaire Fractionnelle (LFR). La méthode proposée est appliquée au contrôle d'un AUV (Autonomous Underwater Vehicle), qui est système difficile à contrôler du fait d'importantes non-linéarités. Des résultats de simulations permettront de montrer l'intérêt de la méthode pour le contrôle d'altitude d'un AUV, et notamment les améliorations apportées par l'ajout de paramètres issus du système non-linéaire au modèle utilisé pour la synthèse des régulateurs.

L'objectif de cette thèse est la conception, dans un premier temps, des différentes stratégies de commande pour un générateur hybride composé par une pile à combustible et une source auxiliaire de stockage d'énergie. L'outil des Inégalités Linéaires Matricielles (LMI) est utilisé dans la thèse pour la solution du problème de la commande robuste et multi-variables. Dans un premier temps la commande se consacre à la gestion de la partie électrique de la pile. Des stratégies de commande sont proposées pour les convertisseurs élévateurs du bus continu mais aussi pour le contrôle d'un onduleur de tension conçu pour une opération en mode isolé du réseau. La validation d'une partie du contrôle sous un banc d'essai a été réalisée. Dans un deuxième temps, la commande de la partie fluidique de la pile a été traitée. La gestion de la dynamique de l'air en entrée de la pile est assurée par la commande du débit du compresseur. Le sous-système de compression d'air est régulé pour garantir un certain taux d'excès d'oxygène désiré, ce qui permet d'améliorer les performances de la pile. Une introduction au contrôle des systèmes à paramètres variants (LPV) est aussi présentée. Des études de robustesse des contrôleurs proposés ont été effectuées, et ces caractères robustes sont comparés avec plusieurs méthodes de commande classique, prouvant ainsi l'importance des méthodologies de commande robuste et multi-variables
The objective of this thesis is the design of several control strategies for a hybrid power generator composed by a fuel cell and an auxiliary energy storage source. The Linear Matrix Inequalities (LMI) tools are extensively used in this dissertation as a solution to the mutivariable robust control problem. As a first approach, the control methodology is consecrated to the electrical power management sub-system of the fuel cell. Different strategies are proposed to control the hybrid boost power converter configuration for DC voltage applications. The methodology is extended to AC islanded applications considering the additional control of a voltage inverter. The validation on a dedicated test-bench, of a part of the proposed control strategies, is presented. In a second approach, the control of the air supply system is addressed. The management of the air dynamic entering the fuel cell is assured by the control of the air flow of a compressor. The air supply sub-system is controlled to keep a desired oxygen excess ratio, this allow to improve the fuel cell performance. An introduction to the control of Linear Varying Parameter (LPV) systems is also presented. Robustness analysis studies are performed, these robust properties are contrasted with several classic control strategies, demonstrating the advantage and the importance of multivariable robust methodologies

Cette thèse étudie l'approche LPV pour la commande robuste des systèmes non linéaires. Son originalité est de proposer pour la première fois un cadre rigoureux permettant de résoudre efficacement des problèmes de synthèse non linéaire. L'approche LPV a été proposée comme une extension de l'approche H-infini dans le contexte des systèmes LPV (« Linéaires à Paramètres Variant dans le temps »), voire non linéaires. Quoique prometteuse, cette approche pour la commande des systèmes non linéaires restait peu utilisée. En effet, au-delà même de certaines limitations théoriques, la nature des solutions obtenues semblait inadéquate. Cette question ouverte est notre point de départ. Nous montrons tout d'abord que la faible variation des correcteurs constatée est due avant tout à la nature du schéma informationnel utilisé traditionnellement lors de la synthèse LPV, et que sous des hypothèses raisonnables, le cadre LPV peut permettre de recouvrir des stratégies de type « linéarisation par bouclage ». Ce point étant acquis, une deuxième difficulté réside dans l'obtention effective de correcteurs non linéaires donnant des garanties de performance. Nous proposons un cadre rigoureux permettant de résoudre efficacement un problème de synthèse incrémentale pondérée, par la résolution d'un problème LPV associé à un schéma informationnel spécifique compatible avec celui identifié dans la première partie. Cette étude et son aboutissement à la définition d'un cadre formel et d'une procédure complète d'obtention de correcteurs, incluant des méthodes de réduction de complexité, donnent des arguments puissants en faveur de l'approche LPV pour la commande robuste de systèmes non linéaires
This thesis studies the LPV approach for the robust control of nonlinear systems. Its originality is to propose for the first time a rigorous framework allowing to solve efficiently nonlinear synthesis problems.The LPV approach was proposed as an extension of the H-infinity approach in the context of LPV (Linear Parameter-Varying) systems and nonlinear systems. Although this approach seemed promising, it was not much used in practise. Indeed, beyond certain theoretical limitations, the nature itself of the obtained solutions did not seem adequate. This open question constitutes the starting point of our work.We first prove that the observed weak variation of the controllers is in fact mostly due to the information structure traditionally used for LPV synthesis, and that under reasonable assumptions, the LPV framework can overlap feedback linearization strategies. This point having been resolved, a second difficulty lies in the actual achievement of nonlinear controllers yielding performance guarantees. We propose a rigorous framework allowing to solve efficiently an incremental synthesis problem, through the resolution of an LPV problem associated to a specific information structure compatible with the one identified in the first part.This study and its corollary description of a formal framework and of a complete controller synthesis procedure, including complexity reduction methods, provide powerful arguments in favor of the LPV approach for the robust control of nonlinear systems

A mathematical model of a small fixed-wing aircraft was developed through application of parameter estimation techniques to simulated flight test data. Multiple controllers were devised based on this model for path following, including a self-scheduled linear parameter-varying (LPV) controller with path curvature as a scheduling parameter. The robustness and performance of these controllers were tested in a rigorous MATLAB simulation environment that included steady winds and gusts, measurement noise, delays, and model uncertainties. The linear controllers designed within were found to be robust to the disturbances and uncertainties in the simulation environment, and had similar or better performance in comparison to a nonlinear control law operating in an inner-outer loop structure. Steps are being taken to implement the resulting controllers on the unmanned aerial vehicle (UAV) testbed in the Nonlinear Systems Laboratory at Virginia Tech.
Master of Science

La suspension joue un rôle central pour la dynamique verticale d’un véhicule automobile afin d’améliorer le confort des passagers et la tenue de route. Les travaux de recherche de cette thèse sont divisés en deux grandes parties. La première partie considère le problème de commande d’une suspension semi-active dont le défi principal est de prendre en compte les contraintes de dissipativité et de débattement maximum des amortisseurs. Celles-ci sont transformées en des contraintes sur la commande et l’état d‘un système linéaire. Deux approches sont alors proposées pour la synthèse de la commande de la suspension semi-active : la commande Linéaire à Paramètres Variants (LPV) avec prise en compte de la saturation et la Commande Prédictive à base de Modèle (MPC).La deuxième partie est consacrée à l’estimation de défaut actionneur et à la commande Tolérante à ce type de défauts, avec comme application majeure le système de suspension semi-active. On considère ici comme défaut une perte de puissance de l’amortisseur (par exemple une fuite de l’huile), qui est estimée en utilisant plusieurs approches fondées sur des observateurs d’état. Puis, en fonction de l’estimation du défaut, la commande en boucle fermée est reconfigurée afin de conserver des performances pour la dynamique verticale du véhicule
Semi-active suspension system plays a key role in enhancing comfort and road holding of vertical dynamics in automotive vehicles. This PhD thesis research work, focused on that topic, is divided into two main parts. The first one considers the semi-active suspension control problem, the main challenge of which being to handle the dissipativity constraint and suspensions stroke limitation of semi-active dampers. These constraints are recast into input and state constraints in a linear state space representation. Thereby, the semi-active suspension control is designed in the framework of Linear Parameter Varying (LPV) approach with input constraints, and of Model Predictive Control (MPC) approach.The second part is devoted to Fault Estimation and Fault Tolerant Control (FTC) in case of actuator fault, and its application to Semi-Active suspension systems. The fault considered here is the loss of actuator's efficiency (due to an oil leakage of the damper for instance when a ), which is estimated using several observer-based approaches. Then, thanks to the fault information from the estimation step, an LPV/FTC fault scheduling control is designed to limit the vehicle performance deterioration

L'industrie aéronautique évolue dans un contexte concurrentiel qui encourage les motoristes et avionneurs à réduire les coûts de production et à améliorer leurs services aux compagnies aériennes tels que la réduction des coûts d'exploitation et de maintenances des avions. Afin de relever ce défi économique, nous proposons dans cette thèse de remplacer l'architecture de régulation actuelle de certains équipements du turboréacteur, par une architecture simplifiée plus économe en capteurs et harnais en remplaçant la redondance matérielle des capteurs par une redondance analytique. Ainsi, en cas de fonctionnement anormal, les capteurs virtuels proposés pourront être utilisés pour consolider la prise de décision sur l'état du capteur par des tests de cohérence et de validation croisée et le cas échéant se substituer aux mesures.Dans ce travail de thèse, on s'est intéressé à la surveillance des systèmes de régulation de géométries variables (régulation du flux d'air en entrée et la quantité de carburant) avec comme contrainte forte la non-modification des paramètres des lois de commande existantes et le maintien de l'opérabilité du turboréacteur avec une dégradation des performances acceptables selon les spécifications du cahier des charges.Pour répondre à ces contraintes opérationnelles, une approche FTC (Fault Tolerant Control) passive est proposée. Cette approche nommée, AVG-FTC (Aircraft Variables Geometries-Fault-Tolerant Control) s'articule autour de plusieurs sous-systèmes mis en cascades. Elle tient compte du caractère instationnaire des systèmes étudiés, des différents couplages entre géométries variables et des incertitudes de modélisation. Ainsi, l'approche utilise un modèle neuronal du capteur couplé à un observateur de type Takagi-Sugeno-LPV (Linéaire à Paramètres Variant) et à un estimateur non linéaire robuste de type NEKF (Filtre de Kalman Étendu Neuronal) qui permet de produire une estimation temps réel des grandeurs surveillées. En utilisant la plateforme de prototypage et de tests du motoriste, nous avons pu évaluer l'approche AVG-FTC en simulant plusieurs scénarios de vol en présence de défaillances. Ceci a permis de montrer les performances de l'approche en termes de robustesse, de garantie de stabilité des boucles de régulations et d'opérabilité du turboréacteur. To improve the availability, a solution that aircraft manufacturers and suppliers adopt was the fault tolerance
Over the years, market pressure has ensured that engine manufacturers invest in technology to provide clean, quiet, affordable, reliable, and efficient power. One of the last improvements is the introduction of virtual sensors that make use of non-like signals (analytical redundancy). This, is expected to improve weight, flight safety and availability. However, this new approach has not been widely investigated yet and needs further attention to remove its limitations for certificated applications.The concept of virtual sensors goes along with fault tolerance control strategies that help in limiting disruptions and maintenance costs. Indeed, a fault-tolerant control (FTC) scheme, allows for a leaner hardware structure without decreasing the safety of the system.We propose in this thesis work, to monitor through a passive FTC architecture, the Variables Geometries subsystems' of the engine: the VSV (Variable Stator Vane) and FMV (Fuel Metering Valve). A strong constrains, is not to change the parameters of the existing controllers. The approach named AVG-FTC (Variable Geometries Aircraft-Fault-Tolerant Control) is based on several cascaded sub-systems that allow to deal with the Linear Parameter Varying (LPV) model of the systems and modelling errors. The proposed FTC scheme uses a neural model of the sensor associated with a Takagi-Sugeno observer and a Neuronal Extended Kalman Filter Neural (NEKF) to account for those dynamics that cannot be explained with the LPV model to produce a real-time estimate of the monitored outputs. In case of sensor abnormality, the proposed virtual sensors can then be used as an arbitrator for sensor monitoring or as a healthy sensor used by the controller. To evaluate the approach, serval closed-loop simulations, on SNECMA jet-engine simulator have been performed. The results for distinct flight scenarios with different sensors faults have shown the capabilities of the approach in terms of stability and robustness

The purpose of this disertation is to introduce and demonstrate a new approach to robust control of AC electrical drives. The proposed robust control method takes advantage of a nonlinear nature of AC motor d-q equations to construct self-scheduled LPV stator current controller. The benefit of this approach is in maitaining the robustness without any increase in conservatism of the H infinity controller. The resulting controller achieves fast and consistent response in the entire range of operating speeds. Rejection of the load torque disturbance is achieved with nonparametric H infinity speed controller in the outter loop of the cascade structure. The combination of LPV current controller and H infinity speed controller was verified on real-time simulation platform dSPACE ds1103. Simulation results for both types of AC motors (PMSM and IM) shows that the proposed solution is not only robust with respect to operating speeds but also impervious to wide range of load disturbance values.

Les robots flexibles sont de plus en plus utilisés dans les applications pratiques. Ces robots sont caractérisés par une conception mécanique légère, réduisant ainsi leur encombrement, leur consommation d'énergie et améliorant leur sécurité. Cependant, la présence de vibrations transitoires rend difficile un contrôle précis de la trajectoire de ces systèmes. Cette thèse est précisément consacrée à l'asservissement en position des manipulateurs flexibles dans les espaces articulaire et opérationnel. Des méthodes de commande avancées, basées sur des outils de la commande robuste et de l'optimisation convexe, ont été proposées. Ces méthodes font en particulier appel à la théorie des systèmes linéaires à paramètres variants (LPV) et aux inégalités matricielles linéaires (LMI). En comparaison avec des lois de commande non-linéaires disponibles dans la littérature, les lois de commande LPV proposées permettent de considérerdes contraintes de performance et de robustesse de manière simple et systématique. L'accent est porté dans notre travail sur la gestion appropriée de la dépendance paramétrique du modèle LPV, en particulier les dépendances polynomiale et rationnelle. Des simulations numériques effectuées dans des conditions réalistes, ont permis d'observer une meilleure robustesse de la commande LPV par rapport à la commande non-linéaire par inversion de modèle face aux bruits de mesure, aux excitations de haute fréquence et aux incertitudes de modèle.

Cette thèse porte sur le problème de commande des systèmes non-linéaires à paramètres variants rencontrés souvent (mais non seulement) dans le domaine aéronautique, avec la technique de séquencement de gains par linéarisation. Une stratégie innovante, appelée extended - Loop Shaping Design Procedure (e-LSDP), qui facilite et systématise la tache du scientique pour le calcul d'une loi de commande séquencée pour ce type de systèmes, est ici proposée.
Cette stratégie est basée sur une pré-compensation (loop shaping) faite à partir des systèmes linéarisés du système non-linéaire autour d'un petit nombre de points de fonctionnement en utilisant des compensateurs de structure simple (e.g. PID), et de plus en utilisant une compensation additionnelle/corrective type retour de sortie H1 statique. Les points de fonctionnement de la deuxième compensation sont calculés à l'aide d'un algorithme de choix de points de synthèse basé sur la connexion des théories de la gap métrique et de la commande H1 par loop shaping. La loi de commande globale non-linéaire séquencée est finalement obtenue en utilisant une interpolation de tous les gains des com-pensateurs impliqués pendant la phase de synthèse.
La méthode proposée ici est validée sur deux exemples d'application : le pilotage autour de l'axe de tangage d'un missile fortement manœuvrant et d'un véhicule de rentrée atmosphérique. Les deux autopilotes sont testés de façon intensive en utilisant des simulations non-linéaires, une analyse Monte Carlo et linéaire à temps figé afin de démontrer leurs excellentes caractéristiques en termes de performance et de robustesse.

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

Les méthodes d'analyse et de synthèse mises en œuvre dans le milieu industriel aéronautique reposent le plus souvent sur l'application de techniques linéaires à des modèles eux-mêmes linéarisés. Les exigences croissantes en termes de performance et de fiabilité opérationnelle nécessitent cependant d'élaborer des stratégies sans cesse plus complexes afin de remplir les objectifs imposés. Il existe donc un réel besoin de mettre au point de nouveaux outils capables de prendre en compte simultanément des non-linéarités et des variations paramétriques lors du processus de synthèse, mais également de démontrer que les résultats obtenus sur le plan théorique peuvent être appliqués à des problématiques réalistes. Dans ce contexte, les travaux menés au cours de cette thèse portent dans un premier temps sur le développement de méthodes d'analyse de robustesse et de synthèse de lois de commande robustes en présence d'incertitudes linéaires à temps variant (LTV) ou invariant (LTI). Ils montrent notamment que de nombreux systèmes non-linéaires peuvent être étudiés avec de tels outils. Ce n'est toutefois pas le cas des systèmes saturés, qui revêtent une importance pratique considérable, et pour lesquels des techniques de synthèse anti-windup sont élaborées dans un deuxième temps. Ces deux approches ne permettent évidemment pas une prise en compte directe de toutes les non-linéarités, mais l'objectif est tout autre. Il consiste à montrer qu'une utilisation judicieuse d'un nombre limité d'outils développés dans un cadre suffisamment général permet d'apporter des réponses pertinentes à de nombreuses problématiques ambitieuses auxquelles se trouve aujourd'hui confrontée l'industrie aéronautique. À titre d'exemple, une stratégie complète est proposée afin de contrôler la dynamique latérale d'un avion de transport civil lors de la phase de roulage au sol.

La stabilité en roulis des véhicules est un problème de sécurité très critique, en particulier pour les poids lourds. Actuellement, la plupart des poids lourds sont équipés de systèmes de barres anti-roulis passifs. Malheureusement ceux-ci ne sont pas capables, en général, de surmonter les situations critiques. Cette thèse se concentre sur les systèmes de barres anti-roulis actifs, qui constituent l'approche la plus communément utilisée pour améliorer la stabilité en roulis des poids lourds. Le travail de recherche de cette thèse est divisé en trois parties principales. Dans la première partie, un modèle intégré est développé, comprenant quatre actionneurs hydrauliques commandés par des servo-valves, associés à un modèle linéaire lacet-roulis de poids lourd. Dans la deuxième partie, le système anti-roulis actif est développé suivant deux méthodologies de contrôle dans le cadre LTI: LQR et Hinfty. Dans la troisième partie, une approche LPV, basée sur le maillage, est utilisée pour synthétiser le contrôleur Hinfty/LPV de barre anti-roulis actif avec des fonctions de pondération dépendant de paramètres variants, à l'aide du progiciel LPVTools. Les résultats de simulation dans les domaines fréquentiel et temporel, ainsi que la validation avec le logiciel de simulation TruckSim, montrent que les systèmes de barres anti-roulis actifs sont une solution réaliste et efficace qui améliore considérablement la stabilité en roulis des poids lourds par rapport aux systèmes de barres anti-roulis passifs
Vehicle rollover is a very serious problem for the safety of heavy vehicles. Most modern heavy vehicles are equipped with passive anti-roll bars, however they may be not sufficient to overcome critical situations. This thesis focuses on the active anti-roll bar system, which is the most common method used to improve roll stability of heavy vehicles.The thesis research work is divided into three main parts. In the first part, an integrated model is proposed with four electronic servo-valve hydraulic actuators mounted in a linear yaw-roll model of a single unit heavy vehicle. In the second part, the active anti-roll bar system uses two control approaches in the LTI framework: LQR, Hinfty. In the third part, the grid-based LPV approach is used to synthesize the Hinfty/LPV active anti-roll bar controller with parameter dependant weighting functions, by using LPVTools.The simulation results, in the frequency and time domains, as well as the validation by using the TruckSim simulation software, show that the active anti-roll bar control is a realistic and efficient solution which drastically improves roll stability of a single unit heavy vehicle, compared to the passive anti-roll bar

It has been recently demonstrated that the artificial neural networks’ (ANN) learning under gradient descent method, can be studied using neural tangent kernel (NTK). This thesis’ goal is to show how techniques related to control theory, can be applied to model and improve the hyperparameters training dynamics. Moreover, it will be proven how by using methods from linear parameter varying (LPV) theory can allow the exact representation of the learning dynamics over its whole domain. The first part of the thesis is dedicated to the modelling and analysis of the system. The modelling of simple ANNs is hereby suggested and a method to expand this approach to larger networks is proposed. After the first part, the LPV system model’s different properties are analysed using different methods. After the modelling and analysis phase, the focus will be shifted on how to improve the neural network both in terms of stability and performances. This improvement is achieved by using state feedback on the LPV system. After setting up the control architecture, controllers based on different methods, such as optimal control and robust control, are then synthesized and their performances are compared.

Le problème de l'efficacité énergétique dans le domaine des transports a comme principal défi savoir comment utiliser la source d'énergie pour que l'efficacité énergétique puisse être maximisée, c'est-à-dire comment le véhicule doit être conduit de telle sorte que la quantité minimale d’énergie est utilisée. Ce problème est le principal problème considéré dans cette thèse. Le véhicule est un prototype impliqué dans la course européenne Shell Eco-Marathon. La dynamique du véhicule est d'abord obtenu par l'identification expérimentale des paramètres. Une stratégie en boucle ouverte de conduite optimale en termes de consommation électrique est calculée. Plusieurs approches ont été étudiées pour le suivi de la référence optimale (stratégie de conduite optimale). Ces approches doivent prendre en compte les ressources limitées en taille mémoire et capacité de calcul. Une commande prédictive (MPC) basée sur la dynamique linéarisée est tout d'abord synthétisée. Le problème de poursuite nécessite une MPC avec contraintes variant dans le temps. La stabilité et la convergence de la commande prédictive sont prouvées à l'aide du formalisme des ensembles invariants. En troisième partie, à partie du modèle LPV, une adaptation de techniques standards basées sur des fonctions de Lyapunov quadratiques et à paramètres variants avec calculs hors-ligne est proposée. Elle est implémentée sur un banc de test. Enfin, une technique adaptative robuste avec identification en ligne de la dynamique est proposée et implémentée dans le véhicule. Cette technique a été testée et validée en course. Les résultats expérimentaux obtenus montrent de bonnes performances de la stratégie de conduite
In the field of transportation, the research on energy efficiency has been carried out for few decades by the automotive industry, where one of the main objectives is to reduce the energetic consumption. This particular problem can be rephrased as how the vehicle must be driven so that the minimum quantity of energy is used. This is the optimal driving strategy. In this project, a suitable model of the Vir'volt electric vehicle involved in the European Shell Eco-Marathon is obtained. The unknown parameters involved in the vehicle dynamics are estimated using Parameter identification from experimental data. The identified dynamics is used to derive an optimal driving strategy that is intended to be tracked on-line during the driving task. The tracking task is subject to time-varying polytopic constraint on the input and/or the state. A MPC-based tracking strategy that uses an homothetic transformation as a suitable time-varying invariant set is used. The time-varying invariant set guarantees the asymptotic stability of the control law. The problem of the MPC tracking for Linear Parametric Varying (LPV) systems is introduced. A new explicit MPC strategy for LPV systems is developed. This strategy uses a Parameter dependent Lyapunov Function (PDLF) to involve explicitly the time-varying parameter in the control law and so it reduces conservatism. A benchmark is used to test the performances of the optimal driving strategy and the explicit MPC tracking strategy. Finally, a robust adaptive technique with on-line identification of the dynamics is has been proposed and tested in the race showing good performances of the adaptive driving strategy

L'objectif de cette thèse est d'élaborer des nouveaux outils adaptés à l'étude des systèmes LPV à retards. Les approches proposées sont basées sur des approches par fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii ou des techniques LFT couplées avec des résultats comme le petit-gain. A partir des résultats de stabilité exprimés sous forme de LMIs dépendants de paramètres, des méthodes de synthèse de contrôleurs et d'observateurs sont proposées. La robustesse vis-à-vis d'erreur sur la connaissance du retard est garantie lors de la synthèse du contrôleur ou de l'observateur. Une nouvelle stratégie de contrôle est aussi proposée dans laquelle le contrôleur est séquencé par une valeur approximative du retard. Ce type de contrôle n'a pas l'inconvénient des contrôleurs à mémoire qui nécessitent de stocker les valeurs passées des signaux sur un certain horizon.

Aeroelasticity is a broad term describing the often complex interactions between structural mechanics and aerodynamics. Aeroelastic phenomena such as divergence and flutter are potentially destructive, and thus must be avoided. Passive methods to avoid undesirable aeroelastic phenomena often involve the addition of mass and/or limiting the achievable performance of the aircraft. However, active control methods allow both for the suppression of undesirable aeroelastic phenomena, and for utilisation of desirable aeroelastic phenomena using actuators, thus increasing performance without the associated weight penalty of passive systems. The work presented in this thesis involves the design, implementation and experimental validation of novel active controllers to suppress undesirable aeroelastic phenomena over a range of airspeeds. The controllers are constructed using a Linear Parameter Varying (LPV) framework, where the plant and controllers can be represented as linear systems which are functions of a parameter, in this case airspeed. The LPV controllers are constructed using Linear Matrix Inequalities (LMIs), which are convex optimisation problems that can be used to represent many linear control objectives. Using LMIs, these LPV controllers can be constructed such that they self-schedule with airspeed and provide upper performance bounds during the design process. The aeroelastic phenomena being suppressed by these controllers are Limit-Cycle Oscillations (LCOs), which are a form of flutter with the aeroelastic instability bounded by a structural nonlinearity in the aeroelastic system. In this work, the aeroelastic system used is the Nonlinear Aeroelastic Test Apparatus (NATA), an experimental aeroelastic test platform located at Texas A&M University. Three and four degree-of-freedom dynamic models were derived for the NATA, which include second-order servo motor dynamics. These servo motor dynamics are often neglected in literature but are sufficiently slow that their dynamics are significant to the controlled response of the NATA. The dynamic model also incorporates quasi-steady aerodynamics, which are accurate for low Strouhal numbers calculated from the oscillation frequency of the wing. Is it shown how the dynamics of the NATA can be represented in LPV form, with a quadratic dependence on airspeed and linear dependence on torsional stiffness. Using a variety of techniques the parameters of the NATA are identified, and shown through nonlinear simulation to provide excellent agreement with experimental results. It is also argued that structural nonlinearity, in the way of a nonlinear torsional spring connecting the wing section to the base, generally improves stability due to its largely quadratic stiffness function, and hence in many instances it is safe to linearise this nonlinearity when designing a controller. Using a H₂ generalised control problem representation of a Linear Quadratic Regulator (LQR) state-feedback controller, LPV synthesis LMIs are constructed using a standard transformation which render the LMIs affine in the transformed controller and Lyapunov matrices. These matrices have the same quadratic dependence on airspeed as the NATA model. To reduce conservatism the parameter space of airspeed versus airspeed squared is gridded into triangular convex hulls over the true parameter curve, and the LMIs are numerically optimised to give an upper bound on the H₂ norm across the design airspeed. The resulting state-feedback controller is constructed from the transformed controller and Lyapunov matrices, and can be solved symbolically as a function of airspeed, however it forms a high-order rational function of airspeed, hence it is quicker to solve for the controller gains numerically on-line. The controller is analysed for the classical measures of robustness, namely gain and phase margins, and maximum sensitivity. While not providing the guarantees of these measures that a conventional LQR controller provides, the controller is shown to be sufficiently robust across the airspeed design range. Experimental results for this controller were performed, and the results show excellent LCO suppression and disturbance rejection, the results from which are published in Prime et al. (2010). Following the above work based on a scalar performance index, the upper bound on the H₂ norm is allowed to vary with airspeed using the same quadratic dependence on airspeed as the NATA model, and the transformed controller and Lyapunov matrices. A simple method of solving the LMIs is shown such that the LPV H₂ upper bound is as close to optimal as possible, and using this method a new controller is synthesised. This new controller is compared against the LPV LQR controller with the scalar performance index, and is shown to be closer to optimal across the airspeed design range. Nonlinear simulations of the controlled NATA using this new controller are then presented. Based on Prime et al. (2008), a Linear Fractional Transformation (LFT) is applied to the NATA model to render the dynamics dependent upon the feedback of the linear value of airspeed. This allows the LMIs to be constructed at only two points, the extreme values of the linear design airspeed, rather than gridding over the parameter space as was performed above. An output-feedback controller that itself depends upon the feedback of a function that is linearly dependent upon airspeed is constructed using an induced L₂ loop-shaping framework. The induced L₂ performance objective is based upon a Glover-McFarlane H∞ loop-shaping process where the NATA singular values are shaped using pre- and post-filters, and minimising the induced L₂ norm from both the input and output to both the input and output. An LFT controller is synthesised, and simulations are performed showing the suppression of LCOs.
Thesis (Ph.D.) -- University of Adelaide, School of Mechanical Engineering, 2010