Tesi sul tema "Observateur des perturbations"

Dans cette thèse, nous étudions desproblèmes de stabilisation et de régulation de sortiepour des systèmes de dimension infinie soumisà des perturbations. Tout d’abord, nous considéronsle problème de la stabilisation d’un systèmedynamique abstrait linéaire de dimensions infiniesavec un opérateur de contrôle non borné et soumisà une perturbation située au même endroit que lecontrôle. Pour résoudre ce problème, nous suivonsune stratégie de contrôle par mode glissant. Dansun second temps, nous considérons le problèmede la stabilisation d’un système hyperbolique (uneéquation de transport et un système d’équationsde transport) contrôlé au bord et soumis à uneperturbation située au même endroit que le contrôle.L’objectif ici est de proposer pour ce cas particulierun contrôle qui exige moins pour ce quiest de la sortie. Pour résoudre ce problème, nousproposons un "active disturbance rejection control".Enfin, nous nous intéressons à la constructiond’une fonctionnelle de Lyapunov permettant deprouver la stabilité entrée−état et de resoudre unproblème de regulation de sortie d’une équation deKorteweg-de Vries
In this thesis, we study problems ofstabilization and output regulation for infinitedimensionalsystems subjected to disturbances.First, we consider the problem of the stabilizationof an abstract linear infinite-dimensional systemwith unbounded control operators and subject toa matched disturbance. To solve this problem, wefollow a sliding mode control strategy. Secondly, weconsider the problem of the boundary stabilizationof a linear hyperbolic system (a transport equationand a system of transport equations) subjected toa matched disturbance. The objective here is topropose for this particular case a control which requiresmuch less in terms of measurement than thedesign proposed before. To solve this problem, wepropose an active disturbance rejection control. Finally,we are interested in the construction of aninput-to-state stability Lyapunov functional and theoutput regulation of a Korteweg-de Vries equation

On s'intéresse au positionnement haute précision des moteurs synchrones sans balai dans l'industrie du semi-conducteur. On conçoit un algorithme d'initialisation et des correcteurs pour le rejet de perturbations spécifiques. L'initialisation consiste à estimer la phase initiale du champ magnétique. Seules des mesures de déplacement sont accessibles. Les paramètres du moteur (gain, charge et frottements) sont inconnus. On adopte un modèle à second membre discontinu dû aux frottements. La phase initiale s'obtient en fonction de l'amplitude des déplacements pendant l'initialisation. On se base sur une classification des orbites périodiques du modèle à second membre discontinu. On compare expérimentalement cette méthode à une solution implémentable dans les mêmes conditions. On étudie alors le rejet de perturbations, périodiques en fonction de la position, qui dégradent la précision du suivi de trajectoires. On formule des conditions pour qu'un contrôleur linéaire rejette entièrement ces perturbations non linéaires. On assure la convergence asymptotique globale de l'erreur de suivi vers zéro grâce à une analyse de perturbations régulières basée sur les polynômes de Bell de seconde espèce. On construit un observateur linéaire basé sur des mesures de position pour le rejet de ces perturbations. Il est obtenu en évaluant les perturbations le long des trajectoires de référence, et non le long de celles effectives du système. Les gains de l'observateur sont réglés par optimisations sous contraintes LMI, réalisées hors ligne, et peu de calculs sont nécessaires en ligne. On illustre expérimentalement notre méthode, via l'annulation du cogging et des erreurs d'interpolation.

L'objectif de l'étude est d'établir un modèle de comportement de l'ensemble navire et eau l'entourant permettant de prédire à court terme (10-15 s) et en temps réel les mouvements du navire sur la houle. L'approche proposée consiste 1) à établir une équation d'évolution autonome de/dt = f(e) de l'ensemble navire et eau, 2) à observer à chaque instant les variables d'état e à partir de mesures physiques. Le modèle f est établi par une mise en équations en fluide parfait et incompressible. Le potentiel et sa dérivée temporelle sur la surface libre ou sur la carène sont des variables d'état possibles pour l'eau. Ces grandeurs sur la surface libre peuvent être observées à partir de la mesure de sa dénivellation. L'observabilité de ces grandeurs sur la carène à partir de la mesure de la pression est un problème ouvert. Pour obtenir un modèle indépendant du temps, la mise en équations est développée en perturbations à partir d'une solution d'ordre zéro elle-même indépendante du temps.

Cette these comprend deux parties distinctes: la premiere partie concerne la synthese d'observateurs pour les systemes affines en l'etat. Nous proposons un observateur non initialise dont l'erreur d'estimation converge si l'entree est regulierement persistante. De meme nous montrons que la version deterministe du filtre de kalman fournit egalement pour cette classe de systemes un observateur non initialise regulierement persistant. Ces systemes possedent, entre autre, deux proprietes interessantes: l'affinite en l'etat permet de ramener naturellement le calcul d'un observateur en dimension finie et l'application d'une entree donnee engendre un systeme lineaire dont les parametres varient dans le temps. Ainsi on peut introduire des classes d'entree particuliere a partir des definitions classiques sur l'observabilite des systemes temps variant. Une entree regulierement persistante engendre un systeme lineaire temps variant uniformement completement observable au sens de kalman. On propose egalement un observateur de systemes non lineaires observables quelconques. Les equations ne sont pas explicites mais sont facilement programmables. On presente un certain nombre de simulations de cet observateur, illustrees par le probleme de modelisation de perturbations non mesurees sur une colonne de distillation. La deuxieme partie, plus theorique, est l'analyse du flot singulier des equations d'euler. C'est l'etude de l'ensemble des trajectoires singulieres, issues de la synthese de commande en temps minimal, en fonction de la position de la commande. Ceci peut etre vu comme un probleme de bifurcation globale a trois parametres d'un systeme differentiel meromorphe

Les problèmes neurologiques dus aux AVC et aux lésions de la moelle épinière ainsi que la faiblesse des muscles squelettiques peuvent considérablement affecter les capacités motrices des personnes infirmes ou âgées. Les solutions traditionnellement utilisées pour l’assistance et le traitement de ces personnes dépendantes, sont relativement coûteuses; en termes de prise charge, elles impliquent, pour les aidants et les services de santé, des efforts humains et des moyens financiers importants. Dans ce cadre, la robotique apparaît comme une solution bien adaptée et prometteuse pour développer des systèmes d’assistance permettant d’améliorer l’autonomie des personnes dépendantes. Les exosquelettes des membres inférieurs sont des robots portables, destinés à être utilisés en tant que dispositifs d’aide à la mobilité pour augmenter les capacités motrices des sujets porteurs, ou comme auxiliaires de rééducation neuromusculaire. Ce domaine de recherche a fait l’objet, ces dernières années, d’un intérêt grandissant au sein de la communauté robotique. Du fait qu’un exosquelette est caractérisé par une interaction physique et cognitive directe avec son porteur, sa fonction principale est de fournir une assistance adaptée aux capacités sensorimotrices du sujet porteur. Il est, par conséquent, nécessaire de développer des stratégies de commande basées sur l’intention de mouvement du porteur. Du point de vue de l’exosquelette, les contacts physiques avec le sujet porteur ou l’environnement sont considérés comme des perturbations affectant la bonne réalisation des mouvements désirés du porteur. Ces perturbations doivent être également être prises en compte lors de la conception des stratégies de commande.Dans cette thèse, nous proposons trois stratégies de commandes assistives pour les exosquelettes des membres inférieurs. Deux modes d’assistance sont étudiés ici: le mode passif où le sujet dispose de capacités motrices très limitées et ne développe quasiment aucun effort, et le mode actif-aidé où le sujet possède certaines capacités motrices mais qui sont insuffisantes pour réaliser de manière autonome un mouvement désiré. Dans la première stratégie de commande, le sujet est supposé être en mode passif. Une commande robuste par modes glissants, basée sur un observateur non-linéaire de perturbations (Nonlinear Disturbance Observer (NDO)), est développée pour garantir un suivi précis des mouvements désirés de l’articulation du genou. Dans la deuxième stratégie de commande, nous proposons une structure de commande en impédance active non-linéaire où le sujet est supposé être en mode actif-aidé. Cette stratégie de commande assistive est utilisée pour assister le porteur dans la réalisation d’activités physiques mono-tâche. L’évaluation des performances de la structure proposée sont étudiées dans le cadre de deux activités: la flexion/extension du genou et le transfert assis-debout. Enfin, la troisième stratégie de commande proposée est une commande contextualisée pour assister le porteur dans ses activités de marche. Nous proposons une approche permettant de détecter le mode de marche dès le début d’un nouveau pas, en utilisant les caractéristiques cinématiques du porteur, à savoir la position et la vitesse des pieds lors de la marche. L’approche de détection du mode de marche rend possible la sélection des modèles cinématique et cinétique appropriés pour chaque mode. Différentes stratégies d’assistance sont développées: compensation partielle de la gravité, assistance basée impédance de type ressort/amortisseur virtuel et assistance de type impédance nulle. Ces stratégies sont combinées différemment selon le mode de marche estimé. Pour évaluer les performances des stratégies de commande proposées, deux prototypes d’exosquelettes des membres inférieurs ont été développés: l’exosquelette de l’articulation du genou EICOSI, et l’exosquelette des membres inférieurs E-ROWA
Neurological problems caused by stroke and spinal cord injury as well as the weakness of skeletal muscles may considerably affect the motor ability of the elderly and infirm. Traditional solutions of assistance and treatment for these dependent people are relatively costly; they generally need significant human efforts and financial resources from caregivers and national healthcare centers. In this context, robotics appears as a convenient and promising solution to develop assistive systems for improving the autonomy of dependent people. Lower limb exoskeletons are wearable robots that can be used as assistive devices for augmenting the wearer’s motor ability and/or improving the effectiveness of neuromuscular rehabilitation. Recently, they have attracted increasing interest in the robotics community. As lower limb exoskeletons exhibit close cognitive and physical interactions with the wearer, a fundamental function is to provide appropriate power assistance by taking into account the wearer’s sensor-motor ability. Consequently, it is of great importance to develop human intention based control strategies. Meanwhile, from the exoskeleton’s viewpoint, the physical contacts with the wearer and the environment are both considered disturbances affecting the accomplishment of the wearer’s desired movements. These disturbances should also be taken into account during the design of control strategies.In this thesis, we develop three assistive control strategies for lower limb exoskeletons. In the meantime, two modes of assistance are studied: the passive mode in which the wearer has very limited motor ability as well as the active-assisted mode in which the wearer has certain motor ability but that is insufficient to perform autonomously a desired physical movement. In the first control strategy, the wearer is assumed to be in passive mode. A robust sliding mode control approach is developed based on the use of a nonlinear disturbance observer, in order to guarantee accurate tracking performance of desired knee joint movements. In the second control strategy, we propose a human intention based nonlinear active impedance control structure, in which the wearer is in an active-assisted mode. This assistive strategy is used to assist the wearer in single-task physical activities, for instance, the knee joint flexion/ extension movement. We investigate the performance of the proposed control structure based on two case studies: knee-joint flexion/extension movements and sit-to-stand movements. Finally, the third control strategy is developed to assist the wearer during walking activities. We propose a new approach that is able to detect the gait mode at the early beginning of a new step using the kinematic features namely velocity and position of the wearer’s feet during walking. The proposed gait mode detection approach makes it possible to select appropriate kinematic and kinetic models for each gait mode. Different assistive strategies are developed: partial gravity compensation, virtual-spring/damper based impedance assistance and zero impedance assistance. These strategies are combined differently according to the estimated wearer’s gait mode. To evaluate the proposed control strategies, two lower limb exoskeleton prototypes are developed: a knee joint lower limb exoskeleton, called EICOSI, and a full lower limb exoskeleton, called E-ROWA

De nos jours, les processus industriels se doivent d’être efficaces, en particulier au niveau de leur production et/ou consommation énergétique.Ce travail vise à améliorer l’efficacité des processus en analysant l’influence des perturbations sur leur comportement, de la phase de conception à la synthèse des contrôleurs/observateurs, ceci dans une approche intégrée.Le problème du Rejet de Perturbation est introduit ainsi que différents types de contrôles permettant d’atténuer et/ou rejeter ces perturbations. Le système de Barre de Torsion est présenté. Une loi de commande basée sur le concept d’état dérivé est présentée et ensuite validée avec comme application le rejet de perturbation. Il est nécessaire d’estimer les grandeurs physiques utilisées dans les différentes expressions de loi de commande. Un observateur à entrées inconnues basé sur la représentation bond graph est rappelé et ensuite étendu au cas multi-variable. C’est la première contribution théorique de ce travail de recherche.Nous comparons ensuite l’efficacité de différentes techniques de commandes pour le rejet de perturbation par simulation sur le système barre de torsion et analysons ainsi l’efficacité de la technique proposée. Une extension théorique au problème du découplage entrée-sortie nous permet de généraliser le problème du rejet de perturbation dans une même démarche intégrée d’analyse et de synthèse. Enfin, ces techniques sont exploitées et analysées sur le système réel. Nous validons ainsi expérimentalement nos résultats.Un modèle très simplifié de centrale hydroélectrique est développé afin d’appliquer les résultats de nos travaux. Un modèle bond graph simplifié est validé par simulation
Nowadays, industrial processes must be efficient, particularly at the production level and/or energy consumption.This research work aims at improving the process efficiency by analysing the influences of disturbances on their behaviour, from the conception phase to the synthesis of controller/observer, in an integrated approach.The disturbance rejection problem is first introduced as well as different control laws allowing attenuate/reject these disturbances. A control law based on the concept of derivative state variable is presented and validated while applied as disturbance rejection.In order to reject the disturbance, different physical variables must be estimated, such as state variables, derivative state variables as disturbance variables. An unknown input observer based on the bond graph representation is recalled and extended in the multivariable case. It is the first theoretical contribution of this work.We thus compare the efficiency of different so-called «modern control laws» for the disturbance rejection problems by simulation with the Torsion-Bar system example. We analyse the efficiency of our approach. One extension to the Input-Output decoupling problem allows us to extend the disturbance rejection problem to other control law type in an integrated approach. At least, these techniques are applied on the real Torsion-Bar system and compared. We validate our approach.Since this work aims at analysing and developing efficient control laws for industrial processes, a simplified model of a hydroelectric plant is developed, in order to apply our results. A simplified bond graph model is validated with simulations

Ce mémoire est consacré à la synthèse des observateurs non linéaires pour la reconstruction des vitesses articulaires des robots manipulateurs et leur introduction dans des boucles de commande. Dans une première partie, nous exposons quelques éléments sur la théorie de l'observation des systèmes non linéaires. Nous donnons des résultats sur la stabilisation exponentielle et asymptotique globale. La deuxième partie du mémoire est consacrée à des rappels sur le calcul des modèles dynamiques des robots manipulateurs en utilisant le formalisme de LaGrange. Les propriétés structurelles du modèle dynamique sont présentées. Dans la troisième partie du mémoire, nous appliquons des observateurs non linéaires et de type h-infini d'ordre plein aux robots manipulateurs. Nous portons notre attention sur l'emploi de ces observateurs dans des boucles de commande. Dans la quatrième partie de ce mémoire, nous proposons un observateur non linéaire exponentiel d'ordre réduit introduit dans une boucle de commande. Nous développons ensuite un observateur h-infini réduit asymptotique assurant une atténuation des perturbations externes. Puis, nous proposons une approche algébrique pour la synthèse d'un correcteur non linéaire h-infini d'ordre réduit par retour de sortie garantissant l'atténuation des perturbations. Des simulations sont réalisées avec le modèle d'un robot à 2 degrés de liberté

De nos jours, les systèmes de transport haute tension continue (HVDC) sont de
plus en plus considérés dans une transmission de puissance et les convertisseurs fonctionnant
en source de tension (VSC) peuvent offrir des degrés de liberté supplémentaires, d'un intérêt
particulier dans la conception d'une commande.
Dans notre étude, les lois de commande sont synthétisées en temps discret et en appliquant
le principe de linéarisation entrée-sortie. Elles ont principalement pour objectifs de stabiliser
la puissance qui transite, d'assurer la régulation de la tension du bus continu et d'obtenir des
facteurs de puissance qui soient, au niveau de la source et de la charge, les plus élevés possible.
Pour pouvoir exploiter en pratique les commandes, il est nécessaire de les associer avec des
observateurs. Du fait que géographiquement la source de puissance et la charge sont situées de
part et d'autre d'une ligne de transmission, l'enjeu ultime de l'observation est la possibilité de
décentraliser les lois de commande. Cette décentralisation implique d'émettre des hypothèses
sur le comportement de ces deux éléments. Celles-ci font l'objet d'une étude approfondie.
Ainsi, dans cette thèse, nous développons une méthodologie de commande qui est systématique
pour les systèmes HVDC intégrant des convertisseurs VSC.

Cette thèse étudie le problème de nano-positionnement à l'intérieur d'un microscope électronique à balayage (MEB). Pour obtenir des informations de position avec rapidité et précision, une installation dédiée composée d’un vibromètre placé à l'intérieur du MEB a été mise en œuvre. Cette approche diffère de méthodes basées sur le traitement d'images, car elle permet de saisir des données en temps réel sur le comportement dynamique des structures étudiées. Dans une première étude, les perturbations mécaniques agissant à l'intérieur de la chambre à vide du microscope ont été caractérisées et leurs sources ont été identifiées. Cela a démontré comment les vibrations mécaniques externes et les bruits acoustiques peuvent influer largement sur les composants à l'intérieur du MEB par couplage mécanique, limitant ainsi la précision des manipulateurs. Dans un deuxième temps, une micro-pince du commerce a été étudiée. Une différence entre ses comportements dans l'air et dans le vide a été mise en évidence, ce qui a permis d'obtenir deux modèles dynamiques pour cet organe terminal, un pour chaque environnement. Deux lois de commande ont été proposées (commande H-infini et commande basée sur un observateur d'état étendu), afin d'obtenir en temps réel un positionnement précis dans le vide, et d'atténuer les effets des perturbations mécaniques externes. Les résultats ont été validés en simulation et expérimentalement
This work studies the nano-positioning problem inside the scanning electron microscope (SEM). To acquire fast and accurate positional information, a dedicated setup was implemented consisting of a vibrometer placed inside the SEM. This approach differs from methods based on image processing, as it allows to capture real-time data on the dynamic behavior of structures. In a first study, the mechanical disturbances acting inside the microscope’s vacuum chamber were characterized and its sources were identified. This demonstrated how external mechanical vibrations and acoustic noises can largely influence the components inside the SEM through mechanical coupling, limiting the effective positioning precision of manipulators. Next, a commercial micro-gripper was studied, both in air and in vacuum, and the differences between its response were highlighted. This allowed to obtain two dynamic models for this end-effector, one for each environment. Two control laws were proposed (H-infinity control and Extended State Observer based control) for the system, to obtain a real-time, precise positioning in the vacuum environment and to attenuate the effects of the external mechanical disturbances. Results were demonstrated through simulation and experimental validation

Cette thèse aborde la mise en œuvre d'une commande événementielle pour les systèmes non linéaires avec une application au convoi non homogène de véhicules. La commande linéarisante est appliquée pour homogénéiser le convoi. Néanmoins, elle a des limitations en présence d'incertitudes paramétriques et de perturbations exogènes non mesurées. Pour résoudre ce problème, nous proposons d'utiliser un observateur de perturbations (DOB : disturbance observer) qui estime une perturbation "virtuelle", représentant les effets à la fois des incertitudes paramétriques et des signaux externes non mesurés. Cette estimation est directement intégrée dans la loi de commande linéarisante pour compenser les incertitudes. En tenant compte des effets de compensation, la stabilité individuelle de chaque véhicule et la stabilité du convoi de véhicules est formulée à partir d'un sous-système interconnecté. Ce dernier représente l'interaction entre deux véhicules consécutifs qui échangent directement des informations. Grâce à cette formulation, la stabilité individuelle et en convoi non homogène peut être étudiée en utilisant une analyse de stabilité ℒ2 d'un seul sous-système interconnecté, assurant la scalabilité des conditions de stabilité proposées. En considérant une transmission basée sur les événements pour réduire le taux de communication, des conditions de suffisantes de stabilité sont proposées. Elles utilisent la théorie de Lyapunov et dans le cas de retards des fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii. Pour éviter le phénomène de Zenon, un délai minimum entre les transmissions consécutives est imposé. Pour tenir compte du délai imposé, le sous-système interconnecté est réécrit sous forme d'un système à commutation basé sur les intervalles pendant lesquels le mécanisme de déclenchement est actif. En tant qu'extension des méthodes ETC pour les applications autour des convois de véhicules, une méthode de co-design pour les systèmes non linéaires est également proposée à partir d'une technique de commande linéarisante. Les conditions de synthèse à la fois pour le contrôleur et le mécanisme de déclenchement d'événements sont reformulées sous forme d'un problème d'optimisation écrit à l'aide de contraintes d'inégalité matricielle linéaire. Des simulations et des comparaisons sont présentées pour chaque partie du mémoire
In this thesis, we address the design of event-triggered control for nonlinear systems focusing on the application of nonhomogeneous vehicle platooning. Due to the presence of parametric uncertainties and unmeasured exogenous disturbances, the classical feedback linearization technique cannot be applied to attain linear and homogeneous platoon. To address this issue, we propose a disturbance observer (DOB) to estimate a lumped disturbance, representing the effects of both the parametric uncertainty and the unmeasured external signals. The estimated disturbance is directly incorporated into the feedback linearization control law for uncertainty compensation. Considering the compensation effects, to assess the individual stability and the string stability, we formulate an overlapping subsystem representing the interaction between vehicles, which directly exchange information. Through this modeling formulation, individual and string stability of the nonhomogeneous platoon can be studied using ℒ2 stability analysis of a single overlapping subsystem, ensuring the scalability of the proposed stability conditions. Considering event-based transmission for resource-efficient communication, we derive sufficient design conditions using suitable Lyapunov-Krasovskii functionals and relaxation techniques for dynamic event-triggered control (ETC) methods to ensure individual and string stability in both cases, with and without communication delays. To ensure Zeno-free behavior, a minimum time between consecutive transmissions is imposed. To account for the enforced time, the overlapping subsystem is rewritten as a switching system based on the intervals during which the triggering mechanism is active. As an extension of ETC methods for platooning applications, we propose a co-design ETC method for nonlinear systems, based on a feedback linearization technique. The co-design conditions for both the controller and the event-triggering mechanism are recast as an optimization problem subject to linear matrix inequality constraints. Extensive simulations and comparisons are presented for each proposed ETC control result to illustrate the advantages of the respective methods over the related literature
Nesta tese abordamos o projeto de controle acionado por eventos para sistemas não lineares, com foco na aplicação em comboio de veículos não homogêneos. Devido à presença de incertezas paramétricas e distúrbios exógenos, a técnica clássica de linearização por realimentação não pode ser aplicada para obter um comboio linear e homogêneo. Para resolver essa questão, propomos um observador de distúrbios (DOB : Disturbance observer) para estimar um distúrbio “virtual”, representando os efeitos tanto da incerteza paramétrica quanto dos sinais externos não medidos. O distúrbio estimado é incorporado diretamente na lei de controle de linearização por realimentação para compensação das incertezas. Considerando os efeitos da compensação, para avaliar a estabilidade individual e a estabilidade do comboio, formulamos um subsistema sobreposto que representa a interação entre veículos que trocam informações diretamente. Por meio dessa formulação, a estabilidade individual e do comboio não homogêneo pode ser estudada utilizando a análise de estabilidade ℒ2 de apenas um subsistema sobreposto, garantindo a escalabilidade das condições de estabilidade propostas. Considerando a transmissão baseada em eventos para comunicação eficiente em termos de recursos, derivamos condições suficientes usando funcionais de Lyapunov-Krasovskii adequados e técnicas de relaxamento para métodos de controle acionado por eventos dinâmicos (ETC : Event-triggered control) para garantir a estabilidade individual e do comboio nos casos, com e sem atrasos de comunicação. Para garantir um comportamento livre de Zenão, um tempo mínimo entre transmissões consecutivas é imposto. Para incluir esse tempo no modelo do subsistema sobreposto, o mesmo é reescrito como um sistema chaveado baseado nos intervalos durante os quais o mecanismo de disparo está ativo. Como uma extensão das abordagem ETC aplicada ao comboio, propomos um método para co-projeto de ETC aplicado a sistemas não lineares, baseado em uma técnica de linearização por realimentação. As condições de co-projeto para o controlador e o mecanismo de acionamento de eventos são reformuladas como um problema de otimização sujeito a restrições sob a forma de desigualdades matriciais lineares. Simulações extensivas e comparações são apresentadas para cada controlador ETC proposto com intuito de ilustrar as vantagens dos respectivos métodos em relação à literatura relacionada

Dans cette thèse, la conception d’observateurs pour les systèmes linéaires à paramètres variables (LPV) et leurs applications au diagnostic et à la commande tolérante aux fautes est étudiée. Un système LPV peut approcher le comportement dynamique non linéaire via un ensemble de modèles linéaire interpolés par un mécanisme dépendant de variables de planification. L’observateur utilisé dans cette recherche s’appelle l’Observateur Dynamique Généralisé (GDO), où l’idée principale est d’ajouter une structure dynamique pour augmenter ses degrés de liberté, dans le but d’obtenir une précision en régime permanent et d’améliorer la robustesse de l’erreur d’estimation contre les perturbations et les incertitudes paramétriques. Par conséquent, cette structure peut être considérée comme plus générale qu’un observateur proportionnel ou qu’un observateur proportionnel intégral. Le sujet traite de la synthèse de GDO pour les systèmes LPV avec des variables d’ordonnancement mesurées et non mesurées, telles que les systèmes quasi-LPV, dans lesquels les variables d’ordonnancement sont des fonctions de signaux endogènes (les états, les entrées ou les sorties), au lieu de signaux exogènes. Les conditions d’existence et de stabilité de chaque structure de GDO sont définies par l’approche de Lyapunov en utilisant une fonction de Lyapunov qui peut être indépendante dépendante des paramètres. La conception est obtenue en termes d’un ensemble d’inégalités matricielles linéaires (LMIs). Les applications d’ingénierie illustrent la performance et l’efficacité des approches proposées. Dans la dernière partie, une stratégie de commande tolérante aux fautes (FTC) pour les systèmes LPV polytopiques, afin de maintenir le système proche des performances souhaitées et de préserver les conditions de stabilité en présence de défauts d’actionneurs. Une unité de diagnostic des défauts est construite pour estimer les états, les défauts d’actionneurs et la variation des paramètres, ces informations sont essentielles à la loi FTC
In this thesis, the observer design for linear parameter-varying systems and their applications to fault diagnosis and fault-tolerant control is studied. A linear parameter-varying (LPV) system can approximate the nonlinear dynamic behavior through a set of linear state space models that are interpolated by a mechanism depending on the scheduling variables. The observer used in this research is called generalized dynamic observer (GDO), where the principal idea is to add dynamics structure to increase its degrees of freedom, with the purpose of achieving steady-state accuracy and improve robustness in estimation error against disturbances and parametric uncertainties. Therefore, this structure can be considered as more general than a proportional observer and proportional-integral observer. It addresses the GDO synthesis for LPV systems with measured and unmeasured scheduling variables such as the quasi-LPV system, in which the scheduling variables are functions of endogenous signals such as states, inputs, or outputs instead of exogenous signals. Conditions of existence and stability for each GDO structure are given through the Lyapunov approach using parameter-independent Lyapunov function or parameter-dependent Lyapunov function. The design is obtained in terms of a set of linear matrix inequalities. Engineering applications are used to illustrates the performance and effectiveness of the proposed approaches. It considers a fault-tolerant control (FTC) strategy for polytopic LPV systems to maintain the current system close to the desired performance and preserve stability conditions in the presence of actuator faults. A fault diagnosis unit is built to estimate the states, the actuator faults, and the parameter variation. That information is essential to the FTC law

Cette thèse représente une contribution aux études sur la disponiblité des dispositifs électrotechnique. L'étude présentée vise à définir la méthode de redondance analytique, basée sur l'estimation d'état, la mieux adaptée au diagnostic des entraînements électriques en considérant les défauts de l'ensemble du convertisseur, de la commande et des capteurs. La méthode retenue doit permettre d'obtenir un modèle de diagnostic implantable en temps réel et sans ajout de capteurs supplémentaires. L'application retenue est un entraînement à courant continu commandé en couple. Le chapitre II compare deux modèles analytiques nommés modèles parallèle et permet de retenir un modèle parallèle "découplé" qui permet une bonne détection et une bonne localisation des défauts d'électronique de puissance ainsi que des défauts capteur. Malheureusement les modèles parallèles sont dépendants des entrées perturbatrices du procédé. Les perturbations génèrent donc des fausses alarmes La batterie d'observateur à entrées inconnues mise au point au chapitre III permet de s'affranchir de l'entrée perturbatrice que constitue dans notre cas le couple de charge. Cette technique est moins dépendante, en terme de découplage, du système car l'injection de sortie grace à la matrice de gain permet de disposer de degrés de liberté supplémentaires qui autorisent un réglage des découplages et des sensibilités. Les observateurs (à entrées inconnues) sont donc, à priori, les modèles de diagnostic les mieux adaptés à la à la détection et la localisation de défauts dans les entrainements électriques à courant continu.

Enhancing mineral processing techniques is a permanent challenge in the mineral and metal industry. Indeed to satisfy the requirements on the final product (metal) set by the consuming market, control is often applied on the mineral processing whose product, the ore concentrate, constitutes the input material of the extractive metallurgy. Therefore much attention is paid on mineral processing units and especially on concentration plants. As the ore size reduction procedure is the critical step of a concentrator, it turns out that controlling a grinding circuit is crucial since this stage accounts for almost 50 % of the total expenditure of the concentrator plant. Moreover, the product particle size from grinding stage influences the recovery rate of the valuable minerals as well as the volume of tailing discharge in the subsequent process.

The present thesis focuses on an industrial application, namely the Kolwezi concentrator (KZC) double closed-loop wet grinding circuit. As any industrial wet grinding process, this process offers complex and challenging control problems due to its configuration and to the requirements on the product characteristics. In particular, we are interested in the modelling of the process and in proposing a control strategy to maximize the product flow rate while meeting requirements on the product fineness and density.

A mathematical model of each component of the circuit is derived. Globally, the KZC grinding process is described by a dynamic nonlinear distributed parameter model. Within this model, we propose a mathematical description to exhibit the increase of the breakage efficiency in wet operating condition. In addition, a relationship is proposed to link the convection velocity to the feed ore rate for material transport within the mills.

All the individual models are identified from measurements taken under normal process operation or from data obtained through new specific experiments, notably using the G41 foaming as a tracer to determine material transport dynamics within the mills. This technique provides satisfactory results compared to previous studies.

Based on the modelling and the circuit configuration, both steady-state and dynamic simulators are developed. The simulation results are found to be in agreement with the experimental data. These simulation tools should allow operator training and they are used to analyse the system and to design the suitable control strategy.

As the KZC wet grinding process is a Multi-Input Multi-Output (MIMO) system, we propose a decentralized control scheme for its simplicity of implementation. To overcome all the control issues, a Double Internal Model Control (DIMC) scheme is proposed. This strategy is a feedforward-feedback structure based on the use of both a modified Disturbance Observer (DOB) and a Proportional-Integral Smith-Predictor (PI-SP). A duality between the DOB and PI-SP is demonstrated in design method. The latter is exploited to significantly simplify the design procedure. The designed decentralized controllers are validated in simulation on the process linearized model. A progressive implementation of the control strategy is proposed in the context of the KZC grinding circuit where instrumentation might not be obvious to acquire./

Améliorer les techniques de traitement de minerais est un défi permanent dans l'industrie des minéraux et des métaux. En effet, pour satisfaire aux exigences du produit fini (métal ) fixées par le marché de consommation, la commande automatique est souvent appliquée à l'usine du traitement de minerais dont le produit, le concentré, constitue la matière première de la métallurgie extractive. Une attention particulière est donc dévolue aux unités de traitement de minerais et en particulier aux concentrateurs. Comme le processus de réduction des dimensions granulométriques du minerai est l'étape critique d'un concentrateur, il s'avère que la commande d'un circuit de broyage est cruciale, car ce stade représente près de 50 % des dépenses totales de l' usine de concentration. De plus, la dimension granulométrique du produit de l'étape de broyage influe sur le taux de récupération des minéraux utiles ainsi que sur le volume des rejets du processus ultérieur.

La présente thèse porte sur une application industrielle, à savoir le concentrateur de Kolwezi (KZC qui est un circuit de broyage humide à double boucle fermée. Comme tout processus industriel de broyage humide, ce procédé présente une problématique de commande complexe et difficile en raison de sa configuration et des exigences relatives aux caractéristiques du produit. En particulier, nous nous intéressons à la modélisation de ce procédé et à proposer une stratégie adéquate de commande dans le but de maximiser le débit de production tout en respectant les exigences quant à la finesse et à la densité de la pulpe produite.

Un modèle mathématique de chaque composant du circuit a été déterminé. Globalement, le processus de broyage de KZC est décrit par un modèle dynamique non linéaire à paramètres distribués. Dans ce modèle, une description mathématique de l'augmentation de l'efficacité du broyage en milieu humide est proposée. En outre, nous avons proposé une relation liant la vitesse de convection au débit d'alimentation de minerais dans le modèle du transport de la matière à l'intérieur des broyeurs.

Tous les modèles mathématiques ont été identifiés à partir de mesures prises sur le procédé en fonctionnement d'équilibre stable ou à partir des données obtenues grâce à des nouvelles expériences spécifiques, notamment en utilisant le moussant G41 comme traceur pour déterminer la dynamique de transport de la matière dans les broyeurs. Cette technique a produit des résultats cohérents par rapport aux études antérieurs réalisées au moyen du traceur colorant ou radioactif.

Les simulateurs statique et dynamique ont été développés sur la base de la modélisation mathématique et de la configuration du circuit. Les résultats des simulations sont en accord avec les données expérimentales. Ces outils de simulation devraient permettre la formation des opérateurs et ont été utilisés pour analyser le système et concevoir la stratégie de commande la plus appropriée.

Comme le processus de broyage humide de KZC est un système à plusieurs grandeurs d'entrée et plusieurs grandeurs de sortie, nous avons proposé une structure de commande décentralisée en raison de sa simplicité de mise en œuvre .Afin de surmonter tous les problèmes de commande, un schéma de commande à double modèle interne (CDMI) est proposée. Cette stratégie est une structure à anticipation - rétroaction basée sur l'utilisation d'un observateur de perturbations (OBP) et d'un Prédicteur de Smith doté d'un régulateur Proportionnel-Intégral (PS-PI). Une dualité entre l'OBP et le PS-PI est démontrée dans la méthode de conception. Cette propriété est exploitée pour simplifier considérablement la procédure de conception. Les régulateurs décentralisés ainsi conçus sont validés en simulation sur le modèle linéarisé du procédé. Une mise en œuvre progressive de la stratégie de commande est proposée dans le contexte du circuit de broyage de KZC où l'instrumentation peut ne pas être évidente à acquérir.

Doctorat en Sciences de l'ingénieur
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Les caractéristiques des écosystèmes microbiens en font des modèles d'étude pertinents pour aborder des questions importantes de l'écologie générale par une approche expérimentale et théorique. Leur utilisation reste néanmoins marginale du fait de la difficulté à extraire certaines informations clés. Dans cette thèse, nous avons travaillé à dépasser ces difficultés pour étudier le lien biodiversité-fonctionnement des écosystèmes par le couplage d'outils de la biologie moléculaire et de l'automatique lors du suivi de chémostats nitrifiants. D'abord, nous avons élaboré une procédure générique permettant d'assigner une des fonctions étudiée de l'écosystème considéré à chacun des phylotypes (i. E. Espèces moléculaires) détectés via des empreintes moléculaires. Cette méthode constitue une étape essentielle pour effectuer une modélisation structurée de type "bilan de matière" des interactions inter- et intra-spécifiques pouvant s'établir entre les différentes espèces assemblées. Ensuite, nous avons procédé à une modélisation de ce type en considérant la dynamique de quatre bactéries nitrifiantes : deux nitritantes (i. E. Oxydant l'azote ammoniacal en nitrite) et deux nitratantes (i. E. Oxydant les nitrites en nitrates). La confrontation des données expérimentales de ces quatre phylotypes avec les sorties du modèle montre que la prise en compte des différents types d'interactions permet d'expliquer la coexistence de plusieurs espèces en compétition pour une même ressource ainsi que la dynamique des fonctions exprimées au niveau de l'écosystème considéré. Enfin, nous avons étudié l'influence de différentes perturbations biotiques sur la résilience des systèmes nitrifiants et confirmons plusieurs études tendant à montrer que le fonctionnement macroscopique stable d'un écosystème peut s'accompagner de variations importantes au niveau populationnel
The characteristics of microbial ecosystems make them appropriate models for studying certain important issues in general ecology using both theoretical and experimental approaches. However, their use remains marginal due to the difficulty in extracting key information. In this thesis, we have worked to such difficulties in the study of the link between biodiversity and ecosystem functioning by the use of molecular and automatic tools during the monitoring of nitrifying chemostats. First, we propose a generic method for allocating one of the studied functions performed by an ecosystem to each of the phylotypes (i. E. Molecular species) detected by molecular fingerprinting. This method constitutes an essential step in devising a structured mass-balance model taking account of inter- and intra-specific interactions which may occur between the different assembled species. Then, we accomplished such modeling by considering the dynamics of four phylotypes: two AOB (i. E. Oxidizing ammonium into nitrite) and two NOB (i. E. Oxidizing nitrites into nitrates). The comparison of the experimental data for these four phylotypes with the simulation given by the model shows that microbial interactions can lead to coexistence and play an important role in the functions expressed by the ecosystem. Finally, we have also studied the influence of different biotic disturbances on the resilience of the nitrifying systems and as a result, confirm studies which have been shown that the macroscopic functioning of an ecosystem can be stable despite significant variations at the populational scale

Cette thèse porte sur la modélisation, pour le contrôle, des profils de compositions dans les colonnes de distillation cryogénique. Nous obtenons un modèle non-linéaire de convection-diffusion par réduction d'un modèle d'équations-bilans singulièrement perturbé. Du point de vue de l'automatique, nous nous intéressons à la stabilité des profils de compositions résultants, ainsi qu'à leur observabilité. Du point de vue du procédé, la nouvauté de notre modèle réside dans la prise en compte d'une efficacité de garnissage dépendant des conditions d'opération de la colonne. Le modèle est validé par des comparaisons avec des données de fonctionnement dynamique issues d'une unité de séparation réelle, pour la séparation d'un mélange binaire. Sur le cas plus complexe d'une cascade de colonnes séparant un mélange ternaire, le modèle montre une grande sensibilité aux erreurs d'estimation des taux de reflux. Des résultats adaptés du champ de la chromatographie nous permettent de relier cette sensibilité à des erreurs d'estimation des vitesses d'ondes de compositions cohérentes. En parallèle, nous proposons et testons également un modèle de fonctions de transfert simple (fondé sur des gains statiques et des retards purs uniquement) pour les petites dynamiques de compositions, qui dépend explicitement de valeurs mesurables ou observables sur le procédé

Ce travail concerne la modélisation et la commande non-linéaire d'un hélicoptère drone à modèle réduit (VARIO Benzin-Trainer) en présence de rafales de vent. En ce qui concerne la modélisation, un modèle général et lagrangien à 7 DDL (degrés de liberté) extrait de [Avila Vilchi, 2001] pour l'hélicoptère en mode de vol libre en basse vitesse est utilisé. Ce système sous-actionné possède 4 entrées de commande. Nous avons développé un modèle lagrangien à 3 DDL de l'hélicoptère perturbé monté sur une plate-forme expérimentale. Le nouveau modèle perturbé présente un grand défi à cause du fort couplage entre les entrées de commande et les états du système, de plus ce modèle est sous-actionné. Différentes stratégies de commande sont utilisées pour commander le modèle réduit de l'hélicoptère perturbé à 3 DDL. Des résultats de simulation montre l'efficacité de la commande backstepping qui stabilise le système en suivant une trajectoire et qui rejete parfaitement la perturbation. Une étude en simulation de la robustesse est faite pour cette commande. Pour le modèle général à 7 DDL, une étude de l'équilibre de l'hélicoptère pendant le vol stationnaire est faite. Nous avons ensuite développé le modèle à 7 DDL de l'hélicoptère perturbé par deux types de rafale de vent, verticale et latérale. Contrairement au modèle à 3 DDL, la dynamique de zéros du modèle à 7 DDL est instable. Toutefois, en négligeant les forces de translation d'amplitude faible et les rafales de vent, on peut obtenir un modèle à minimum de phase. Ce dernier nous permet d'utiliser une loi de commande linéarisante approchée AFLC. Pour améliorer la robustesse et la précision de cette commande linéarisante AFLC, on utilise un observateur non linéaire à état étendu et approché AADRC que nous avons développé en se basant sur la méthode de rejet actif de perturbation ADRC et en utilisant le modèle approché. Plusieurs simulations sur le modèle complet montrent alors que l'ajout de cet observateur permet de compenser l'effet des forces de translation d'amplitude faible et des rafales de vent.

Malgré le progrès de l'automatisation industrielle, les solutions robotiques ne sont pas encore couramment utilisées dans le secteur du génie civil. Plus spécifiquement, les tâches de ponçage, telles que le désamiantage, sont toujours effectuées par des opérateurs humains utilisant des outils électriques et hydrauliques classiques. Cependant, avec la diminution du coût relatif des machines par rapport au travail humain et les réglementations sanitaires strictes applicables à des travaux aussi risqués, les robots deviennent progressivement des alternatives crédibles pour automatiser ces tâches et remplacer les humains.Dans cette thèse, des nouvelles approches de contrôle de ponçage de surface sont élaborées. Le premier contrôleur est un contrôleur hybride position-force avec poignet conforme. Il est composé de 3 boucles de commande, force, position et admittance. La commutation entre les commandes pourrait créer des discontinuités, ce qui a été résolu en proposant une commande de transition. Dans ce contrôleur, la force de choc est réduite par la commande de transition proposée entre les modes espace libre et contact. Le second contrôleur est basé sur un modèle de ponçage développé et un contrôleur hybride adaptatif position-vitesse-force. Les contrôleurs sont validés expérimentalement sur un bras robotique à 7 degrés de liberté équipé d'une caméra et d'un capteur de force-couple. Les résultats expérimentaux montrent de bonnes performances et les contrôleurs sont prometteurs. De plus, une nouvelle approche pour contrôler la stabilité des manipulateurs mobiles en temps réel est présentée. Le contrôleur est basé sur le « zero moment point », il a été testé dans des simulations et il a été capable de maintenir activement la stabilité de basculement du manipulateur mobile tout en se déplaçant. En outre, les incertitudes liées à la modélisation et aux capteurs sont prises en compte dans les contrôleurs mentionnés où des observateurs sont proposés.Les détails du développement et de l'évaluation des différents contrôleurs proposés sont présentés, leurs mérites et leurs limites sont discutés et des travaux futurs sont suggérés
Despite the advancements in industrial automation, robotic solutions are not yet commonly used in the civil engineering sector. More specifically, grinding tasks such as asbestos removal, are still performed by human operators using conventional electrical and hydraulic tools. However, with the decrease in the relative cost of machinery with respect to human labor and with the strict health regulations on such risky jobs, robots are progressively becoming credible alternatives to automate these tasks and replace humans.In this thesis, novel surface grinding control approaches are elaborated. The first controller is based on hybrid position-force controller with compliant wrist and a smooth switching strategy. In this controller, the impact force is reduced by the proposed smooth switching between free space and contact modes. The second controller is based on a developed grinding model and an adaptive hybrid position-velocity-force controller. The controllers are validated experimentally on a 7-degrees-of-freedom robotic arm equipped with a camera and a force-torque sensor. The experimental results show good performances and the controllers are promising. Additionally, a new approach for controlling the stability of mobile manipulators in real time is presented. The controller is based on zero moment point, it is tested in simulations and it was able to actively maintain the tip-over stability of the mobile manipulator while moving. Moreover, the modeling and sensors uncertainties are taken into account in the mentioned controllers where observers are proposed. The details of the development and evaluation of the several proposed controllers are presented, their merits and limitations are discussed and future works are suggested