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This PhD thesis presents a hand architecture with three under-actuated fingers. Each finger performs spatial movements toachieve more complex and varied grasping than the existing planar-movement fingers. The purpose of this hand is to grasp complexshaped workpieces as they leave the machining centers. Among the taxonomy of grips, cylindrical and spherical grips are often used to grasp heavy objects. After a presentation of the kinematics of the fingers with the cylindrical and spherical grips of a prototype, this article proposes to approach the problem of stability in a generic case before focusing on the case of gripping a disc. Theoretical results are compared to a dynamic simulation with the ADAMS software. In this thesis, the choice is made of an actuation by pneumatic muscles powered by a single pneumatic power source. The implication of this choice of actuation on the stability of the part in a 3-finger robotic hand is presented. A complete prototype of the hand is built, which makes it possible to validate the whole of the choices and to start the control of gripper under actuated in force and speed with a control without a model. At first, this control strategy is applied for a finger with one degree of freedom before being extended to the prototype of the robotic hand; Cette thèse présente une architecture de main avec trois doigts sous-actionnés. Chaque doigt effectue des mouvements spatiaux afin d’obtenir une saisie plus complexe et variée que les doigts à mouvements planairesexistants. L’objectif de cette main est de saisir des pièces de forme complexe à la sortie des centres d’usinage. Parmi la taxonomie des préhensions, les préhensions cylindriques et sphériques sont souvent utilisées pour saisir des objets. Après une présentation de la cinématique des doigts avec les préhensions cylindriques et sphériques d’un prototype, cette thèse propose d’aborder le problème de la stabilité d’un doigt pour un cas général avant de s’attarder sur le cas particulier de la préhension d’un disque. Les résultats théoriques sont comparés à une simulation dynamique avec le logiciel ADAMS. Dans cette thèse, le choix est fait d’un actionnement par des muscles pneumatiques alimentés par une seule source de pression pneumatique. L’impact de ce choix d’actionnement sur la stabilité de la pièce dans une main robotique à 3 doigts est présenté. Un prototype complet de la main est construit, ce qui permet de valider l’ensemble des choix et d’aborder le contrôle du préhenseur sous actionné en force et en vitesse avec une commande sans modèle. Dans un premier temps, cette stratégie de contrôle est appliquée sur un doigt avec un degré de liberté avant d’être élargie au prototypede la main robotique.

Micro Air Vehicle (MAV)s with transitioning flight capabilities, or simply Hybrid Micro Air Vehicle(HMAV)s combine the beneficial features of fixed-wing configurations in terms of endurance,with vertical take-off and landing capabilities of rotorcraft to perform five different flight phasesduring typical missions : vertical takeoff, transitioning flight, forward flight, hovering, and verticallanding. This promising MAV class has a wider flight envelope than conventional MAVs,which implies new challenges for both control community and aerodynamic designers. One ofthe major challenges of HMAVs is the fast variation of aerodynamic forces and moments duringthe transition flight phase, which is difficult to model and control accurately. In this thesis, wefocus on the development of control laws for a specific class of HMAVs, namely tail-sitters.In order to stabilize the HMAV and overcome its modeling problem, we propose a flightcontrol architecture that estimates in realtime its fast nonlinear dynamics with an intelligentfeedback controller. The proposed flight controller is designed to stabilize the HMAV attitude,velocity and position during all flight phases. By using Model-Free Control (MFC) algorithms,the proposed flight control architecture bypasses the need for a precise HMAV model that iscostly and time consuming to obtain. A comprehensive set of flight simulations covering theentire flight envelope of the HMAV is presented, with the respective analysis for each of theflight phases. Furthermore, the control performance and the limitations of the MFC architecture are discussedin order to introduce further applications in real flight experiments. Flight tests clarifyand validate the proposed control methodology in a practical context, thus solving the principalissue of HMAVs; that is, the formulation of accurate HMAV dynamic equations to designcontrol laws. In addition, from simple mathematical algorithms, MFC is easily implemented ona microprocessor without the need for high computational costs, such as time processing andmemory resources. The results obtained provide a straightforward way in which to validatethe methodological principles presented in this thesis, to certify the designed MFC parametersand to establish a conclusion regarding MFC advantages and disadvantages in theoretical andpractical contexts related to aerospace systems.; Les micro drones à capacités de vol de transition, ou simplement HMAVs (de l’anglais Hybrid MicroAir Vehicles), regroupent les principales caractéristiques aérodynamiques des configurationsà voilure fixe, en termes d’endurance, avec les capacités de décollage et d’atterrissage verticaldes voilures tournantes afin d’effectuer cinq phases de vol au cours de ses missions, telles quele décollage vertical, le vol de transition, le vol en croisière, le vol stationnaire et l’atterrissagevertical. Cette nouvelle classe de micro drones a un domaine de vol plus large que les microdrones conventionnels, ce qui implique de nouveaux défis pour les automaticiens et les concepteursaérodynamiques. L’un des principaux défis des HMAVs est la variation rapide des forces etdes moments aérodynamiques pendant la phase de vol de transition, qui est difficile à modéliseret à contrôle avec précision. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le développement delois de pilotage pour une classe spécifique des HMAVs, à savoir les tail-sitters.Afin de stabiliser la dynamique des tail-sitters et de surmonter leur problème de modélisation,nous proposons une architecture de contrôle de vol qui estime en temps réel leurs dynamiquesgrâce à un contrôleur à rétroaction intelligent. Le contrôleur de vol proposé est conçu pourstabiliser l’attitude du tail-sitter ainsi que sa vitesse, et sa position pendant toutes ses phasesde vol. En utilisant des algorithmes de la commande sans modèle, l’architecture de contrôle devol proposée contourne le besoin d’un modèle dynamique précis dont l’obtention est coûteuseet longue. Une série complète de simulations de vol couvrant l’ensemble du domaine de vol destail-sitters est présentée et, pour chaque phase de vol, son analyse respective.Avant d’introduire des expériences de vol réel, nous évaluons les performances et les limites del’architecture de commande sans modèle en simulation. Les essais en vol permettent de clarifier etde valider notre méthodologie de contrôle dans un contexte pratique, résolvant ainsi le principalproblème des tail-sitters, à savoir la formulation d’équations dynamiques précises pour concevoirles lois de commande. En outre, à partir d’algorithmes mathématiques simples, la commandesans modèle est facilement implémentée sur microprocesseurs sans nécessiter de coûts de calculélevés, tels que la fréquence de traitement et les ressources de mémoire. Les résultats obtenusfournissent un moyen simple de valider les principes méthodologiques présentés dans cette thèse,de certifier les paramètres obtenus lors de la conception de la commande sans modèle et d’établirune conclusion concernant ses avantages et ses inconvénients dans des contextes théoriques etpratiques liés aux systèmes aérospatiaux.

This work aims to control the processes represented by partial differential equations. Two processes were considered. The first process is a batch crystallization process. The aim of the control is to generate a crystal size distribution (CSD) with an appropriate mean size. First, we used a high gain cascade observer to estimate this average size using only the crystallizer temperature and solute concentration. Then, different scenarios were tested to compare the performance of the different structures of the control system without a model. The second process treated is a lactide polymerization process. This reaction is very sensitive to impurities. So, two control strategies were proposed to restore the nominal conditions in case of drift, which are the dynamic optimization and predictive control; L’objectif de ce travail est le contrôle des procédés représentés par des équations aux dérivées partielles. Deux procédés ont été considérés. Le premier procédé est un procédé de cristallisation en batch. L’objectif du contrôle est la génération d’une distribution des tailles de cristaux (DTC) ayant une taille moyenne adéquate. Tout d’abord, nous avons utilisé observateur à grand gain en cascade pour estimer cette taille moyenne en utilisant que la température du cristallisoir et la concentration du soluté. Ensuite, différents scénarios ont été testés afin de comparer les performances des différentes structures de la commande sans modèle. Le deuxième procédétraité est un procédé de polymérisation par ouverture de cycle du lactide. Cette réaction est très sensible aux impuretés. Alors, deux stratégies de contrôle ont été proposé afin de rétablir les conditions nominales en cas de dérive qui sont l’optimisation dynamique et la commande prédictive

This work aims to control the processes represented by partial differential equations. Two processes were considered. The first process is a batch crystallization process. The aim of the control is to generate a crystal size distribution (CSD) with an appropriate mean size. First, we used a high gain cascade observer to estimate this average size using only the crystallizer temperature and solute concentration. Then, different scenarios were tested to compare the performance of the different structures of the control system without a model. The second process treated is a lactide polymerization process. This reaction is very sensitive to impurities. So, two control strategies were proposed to restore the nominal conditions in case of drift, which are the dynamic optimization and predictive control; L’objectif de ce travail est le contrôle des procédés représentés par des équations aux dérivées partielles. Deux procédés ont été considérés. Le premier procédé est un procédé de cristallisation en batch. L’objectif du contrôle est la génération d’une distribution des tailles de cristaux (DTC) ayant une taille moyenne adéquate. Tout d’abord, nous avons utilisé observateur à grand gain en cascade pour estimer cette taille moyenne en utilisant que la température du cristallisoir et la concentration du soluté. Ensuite, différents scénarios ont été testés afin de comparer les performances des différentes structures de la commande sans modèle. Le deuxième procédétraité est un procédé de polymérisation par ouverture de cycle du lactide. Cette réaction est très sensible aux impuretés. Alors, deux stratégies de contrôle ont été proposé afin de rétablir les conditions nominales en cas de dérive qui sont l’optimisation dynamique et la commande prédictive

Micro Air Vehicle (MAV)s with transitioning flight capabilities, or simply Hybrid Micro Air Vehicle(HMAV)s combine the beneficial features of fixed-wing configurations in terms of endurance,with vertical take-off and landing capabilities of rotorcraft to perform five different flight phasesduring typical missions : vertical takeoff, transitioning flight, forward flight, hovering, and verticallanding. This promising MAV class has a wider flight envelope than conventional MAVs,which implies new challenges for both control community and aerodynamic designers. One ofthe major challenges of HMAVs is the fast variation of aerodynamic forces and moments duringthe transition flight phase, which is difficult to model and control accurately. In this thesis, wefocus on the development of control laws for a specific class of HMAVs, namely tail-sitters.In order to stabilize the HMAV and overcome its modeling problem, we propose a flightcontrol architecture that estimates in realtime its fast nonlinear dynamics with an intelligentfeedback controller. The proposed flight controller is designed to stabilize the HMAV attitude,velocity and position during all flight phases. By using Model-Free Control (MFC) algorithms,the proposed flight control architecture bypasses the need for a precise HMAV model that iscostly and time consuming to obtain. A comprehensive set of flight simulations covering theentire flight envelope of the HMAV is presented, with the respective analysis for each of theflight phases. Furthermore, the control performance and the limitations of the MFC architecture are discussedin order to introduce further applications in real flight experiments. Flight tests clarifyand validate the proposed control methodology in a practical context, thus solving the principalissue of HMAVs; that is, the formulation of accurate HMAV dynamic equations to designcontrol laws. In addition, from simple mathematical algorithms, MFC is easily implemented ona microprocessor without the need for high computational costs, such as time processing andmemory resources. The results obtained provide a straightforward way in which to validatethe methodological principles presented in this thesis, to certify the designed MFC parametersand to establish a conclusion regarding MFC advantages and disadvantages in theoretical andpractical contexts related to aerospace systems., Les micro drones à capacités de vol de transition, ou simplement HMAVs (de l’anglais Hybrid MicroAir Vehicles), regroupent les principales caractéristiques aérodynamiques des configurationsà voilure fixe, en termes d’endurance, avec les capacités de décollage et d’atterrissage verticaldes voilures tournantes afin d’effectuer cinq phases de vol au cours de ses missions, telles quele décollage vertical, le vol de transition, le vol en croisière, le vol stationnaire et l’atterrissagevertical. Cette nouvelle classe de micro drones a un domaine de vol plus large que les microdrones conventionnels, ce qui implique de nouveaux défis pour les automaticiens et les concepteursaérodynamiques. L’un des principaux défis des HMAVs est la variation rapide des forces etdes moments aérodynamiques pendant la phase de vol de transition, qui est difficile à modéliseret à contrôle avec précision. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le développement delois de pilotage pour une classe spécifique des HMAVs, à savoir les tail-sitters.Afin de stabiliser la dynamique des tail-sitters et de surmonter leur problème de modélisation,nous proposons une architecture de contrôle de vol qui estime en temps réel leurs dynamiquesgrâce à un contrôleur à rétroaction intelligent. Le contrôleur de vol proposé est conçu pourstabiliser l’attitude du tail-sitter ainsi que sa vitesse, et sa position pendant toutes ses phasesde vol. En utilisant des algorithmes de la commande sans modèle, l’architecture de contrôle devol proposée contourne le besoin d’un modèle dynamique précis dont l’obtention est coûteuseet longue. Une série complète de simulations de vol couvrant l’ensemble du domaine de vol destail-sitters est présentée et, pour chaque phase de vol, son analyse respective.Avant d’introduire des expériences de vol réel, nous évaluons les performances et les limites del’architecture de commande sans modèle en simulation. Les essais en vol permettent de clarifier etde valider notre méthodologie de contrôle dans un contexte pratique, résolvant ainsi le principalproblème des tail-sitters, à savoir la formulation d’équations dynamiques précises pour concevoirles lois de commande. En outre, à partir d’algorithmes mathématiques simples, la commandesans modèle est facilement implémentée sur microprocesseurs sans nécessiter de coûts de calculélevés, tels que la fréquence de traitement et les ressources de mémoire. Les résultats obtenusfournissent un moyen simple de valider les principes méthodologiques présentés dans cette thèse,de certifier les paramètres obtenus lors de la conception de la commande sans modèle et d’établirune conclusion concernant ses avantages et ses inconvénients dans des contextes théoriques etpratiques liés aux systèmes aérospatiaux.

The first part of the thesis is devoted to the control of differentially flat systems with constraints. Two types of systems are studied: non-linear finite dimensional systems and linear time-delay systems. We present an approach to embed the input/state/output constraints in a unified manner into the trajectory design for differentially flat systems. To that purpose, we specialize the flat outputs (or the reference trajectories) as Bézier curves. Using the flatness property, the system’s inputs/states can be expressed as a combination of Bézier curved flat outputs and their derivatives. Consequently, we explicitly obtain the expressions of the control points of the inputs/states Bézier curves as a combination of the control points of the flat outputs. By applying desired constraints to the latter control points, we find the feasible regions for the output Bézier control points i.e. a set of feasible reference trajectories. This framework avoids the use of generally high computing cost optimization schemes. To resolve the uncertainties arising from imprecise model identification and the unknown pertubations, we employ the Model-Free Control (MFC) and in the second part of the thesis we present two applications demonstrating the effectiveness of our approach: 1. We propose a controller design that avoids the quadrotor’s system identification procedures while staying robust with respect to the endogenous (the control performance is independent of any mass change, inertia, gyroscopic or aerodynamic effects) and exogenous disturbances (wind, measurement noise). To reach our goal, based on the cascaded structure of a quadrotor, we divide the system into positional and attitude subsystems each controlled by an independent Model-Free controller of second order dynamics. We validate our control approach in three realistic scenarios: in presence of unknown measurement noise, with unknown time-varying wind disturbances and mass variation while tracking aggressive manoeuvres. 2. We employ the Model-Free Control to control (maintain) the “horizontal elasticity” of a Cloud Computing system. When compared to the commercial “Auto-Scaling” algorithms, our easily implementable approach behaves better, even with sharp workload fluctuations. This is confirmed by experiments on the Amazon Web Services (AWS) public cloud.; La première partie de la thèse est consacrée à la commande avec contraintes de systèmes différentiellement plats. Deux types de systèmes sont étudiés : les systèmes non linéaires de dimension finie et les systèmes linéaires à retards. Nous présentons une approche unifiée pour intégrer les contraintes d'entrée/état/sortie dans la planification des trajectoires. Pour cela, nous spécialisons les sorties plates (ou les trajectoires de référence) sous forme de courbes de Bézier. En utilisant la propriété de platitude, les entrées/états du système peuvent être exprimés sous la forme d'une combinaison de sorties plates (courbes de Bézier) et de leurs dérivées. Par conséquent, nous obtenons explicitement les expressions des points de contrôle des courbes de Bézier d'entrées/états comme une combinaison des points de contrôle des sorties plates. En appliquant les contraintes souhaitées à ces derniers points de contrôle, nous trouvons les régions faisables pour les points de contrôle de Bézier de sortie, c'est-à-dire un ensemble de trajectoires de référence faisables. Ce cadre permet d’éviter le recours, en général fort coûteux d’un point de vue informatique, aux schémas d’optimisation. Pour résoudre les incertitudes liées à l'imprécision de l'identification et modélisation des modèles et les perturbations, nous utilisons la commande sans modèle (Model Free Control-MFC) et dans la deuxième partie de la thèse, nous présentons deux applications démontrant l'efficacité de notre approche : 1. Nous proposons une conception de contrôleur qui évite les procédures d'identification du système du quadrotor tout en restant robuste par rapport aux perturbations endogènes (la performance de contrôle est indépendante de tout changement de masse, inertie, effets gyroscopiques ou aérodynamiques) et aux perturbations exogènes (vent, bruit de mesure). Pour atteindre notre objectif en se basant sur la structure en cascade d'un quadrotor, nous divisons le système en deux sous-systèmes de position et d'attitude contrôlés chacun indépendamment par la commande sans modèle de deuxième ordre dynamique. Nous validons notre approche de contrôle avec trois scénarios réalistes : en présence d'un bruit inconnu, en présence d’un vent variant dans le temps et en présence des variations inconnues de masse, tout en suivant des manœuvres agressives. 2. Nous utilisons la commande sans modèle et les correcteurs « intelligents » associés, pour contrôler (maintenir) l'élasticité horizontale d'un système de Cloud Computing. Comparée aux algorithmes commerciaux d’Auto-Scaling, notre approche facilement implémentable se comporte mieux, même avec de fluctuations aigües de charge. Ceci est confirmé par des expériences sur le cloud public Amazon Web Services (AWS).

In this thesis, the model-free control was applied and adapted to delayed systems whose delay is either known or unknown. This method of control does not require the specific knowledge of a model of the system, it finds all its effectiveness in the apprehension of the unknown delays. Different adaptations of the classical approach, based on the minimization of frequency and temporal criteria, have been proposed in the context of a known, bounded or unknown delay. They allowed us to extend the range of systems considered and to improve the intrinsic performance of the model-free control. The delayed systems, which are the main target of this thesis, were able to benefit from these improvements. The problem of the fault-diagnosis of delayed systems was then addressed. A new method of model-free diagnosis has been proposed, based on model-free control principles. Our proposal only uses the temporal evolution of the system's input and output signals. Due to the generation of residual signals, the detection and localization of actuator/system faults were permitted under certain assumptions. Finally, we have studied the fault-tolerance properties of model-free control and its efficacy has been proven. Compared with more conventional methods, such as the PI Controller for example, a notable difference is to be mentioned. Indeed, unlike a PI controller, the model-free control is robust not only to low-frequency input disturbance signals, but it also allows for the rejection of other signal types by estimating summary parameters. Throughout this report, the effectiveness of the proposed approaches was illustrated in terms of control or diagnosis by multiple academic examples; Dans ce travail de thèse, la commande sans modèle a tout d'abord été appliquée et adaptée au cas des systèmes présentant un retard connu ou inconnu. Cette méthode de commande ne nécessitant pas la connaissance précise d'un modèle du système, elle trouve toute son efficacité dans l'appréhension de retards inconnus. Différentes adaptations de l'approche classique, reposant sur la minimisation de critères temporels et fréquentiels, ont été proposées suivant le contexte d'un retard connu, borné ou inconnu. Elles nous ont permis d'élargir le spectre des systèmes considérés et d'améliorer les performances intrinsèques de la commande sans modèle. Les systèmes retardés, qui sont la cible privilégiée de ce travail, ont pu bénéficier de ces améliorations. Le problème du diagnostic des systèmes à retard a ensuite été abordé. Une nouvelle méthode de diagnostic sans modèle a été proposée, fondée sur les principes mêmes de la commande sans modèle. Cette proposition s'appuie sur la seule évolution temporelle des signaux entrée/sortie du système. Par la génération de signaux résiduels, la détection et la localisation de défauts d'actionneurs et du système est assurée sous certaines hypothèses. Finalement, nous avons montré en quoi la commande sans modèle s'apparente à une commande tolérante aux défauts et son efficacité en tant que telle a été prouvée. Une différence importante est à souligner par comparaison à d'autres commandes plus classiques, de type PI par exemple. En effet, la commande sans modèle est non seulement robuste à des signaux perturbateurs basses fréquences en entrée, à l'identique d'une structure PI classique, mais elle permet également de rejeter d’autres types de signaux révélateurs de défauts via l’estimation de certains paramètres de synthèse. Tout au long du mémoire, l'efficacité des approches proposées en commande et en diagnostic est perçue au travers d'exemples académiques

In this thesis, the model-free control was applied and adapted to delayed systems whose delay is either known or unknown. This method of control does not require the specific knowledge of a model of the system, it finds all its effectiveness in the apprehension of the unknown delays. Different adaptations of the classical approach, based on the minimization of frequency and temporal criteria, have been proposed in the context of a known, bounded or unknown delay. They allowed us to extend the range of systems considered and to improve the intrinsic performance of the model-free control. The delayed systems, which are the main target of this thesis, were able to benefit from these improvements. The problem of the fault-diagnosis of delayed systems was then addressed. A new method of model-free diagnosis has been proposed, based on model-free control principles. Our proposal only uses the temporal evolution of the system's input and output signals. Due to the generation of residual signals, the detection and localization of actuator/system faults were permitted under certain assumptions. Finally, we have studied the fault-tolerance properties of model-free control and its efficacy has been proven. Compared with more conventional methods, such as the PI Controller for example, a notable difference is to be mentioned. Indeed, unlike a PI controller, the model-free control is robust not only to low-frequency input disturbance signals, but it also allows for the rejection of other signal types by estimating summary parameters. Throughout this report, the effectiveness of the proposed approaches was illustrated in terms of control or diagnosis by multiple academic examples, Dans ce travail de thèse, la commande sans modèle a tout d'abord été appliquée et adaptée au cas des systèmes présentant un retard connu ou inconnu. Cette méthode de commande ne nécessitant pas la connaissance précise d'un modèle du système, elle trouve toute son efficacité dans l'appréhension de retards inconnus. Différentes adaptations de l'approche classique, reposant sur la minimisation de critères temporels et fréquentiels, ont été proposées suivant le contexte d'un retard connu, borné ou inconnu. Elles nous ont permis d'élargir le spectre des systèmes considérés et d'améliorer les performances intrinsèques de la commande sans modèle. Les systèmes retardés, qui sont la cible privilégiée de ce travail, ont pu bénéficier de ces améliorations. Le problème du diagnostic des systèmes à retard a ensuite été abordé. Une nouvelle méthode de diagnostic sans modèle a été proposée, fondée sur les principes mêmes de la commande sans modèle. Cette proposition s'appuie sur la seule évolution temporelle des signaux entrée/sortie du système. Par la génération de signaux résiduels, la détection et la localisation de défauts d'actionneurs et du système est assurée sous certaines hypothèses. Finalement, nous avons montré en quoi la commande sans modèle s'apparente à une commande tolérante aux défauts et son efficacité en tant que telle a été prouvée. Une différence importante est à souligner par comparaison à d'autres commandes plus classiques, de type PI par exemple. En effet, la commande sans modèle est non seulement robuste à des signaux perturbateurs basses fréquences en entrée, à l'identique d'une structure PI classique, mais elle permet également de rejeter d’autres types de signaux révélateurs de défauts via l’estimation de certains paramètres de synthèse. Tout au long du mémoire, l'efficacité des approches proposées en commande et en diagnostic est perçue au travers d'exemples académiques

An elementary mathematical example proves, thanks to the Routh-Hurwitz criterion, a result that is intriguing with respect to today's practical understanding of model-free control, i.e., an "intelligent" proportional controller (iP) may turn to be more difficult to tune than an intelligent proportional-derivative one (iPD). The vast superiority of iPDs when compared to classic PIDs is shown via computer simulations. The introduction as well as the conclusion analyse model-free control in the light of recent advances., Comment: in French, https://www.openscience.fr/Un-resultat-intrigant-en-commande-sans-modele

International audience; An elementary mathematical example proves, thanks to the Routh-Hurwitz criterion, a result that is intriguing with respect to today's practical understanding of model-free control, i.e., an " intelligent " proportional controller (iP) may turn to be more difficult to tune than an intelligent proportional-derivative one (iPD). The vast superiority of iPDs when compared to classic PIDs is shown via computer simulations. The introduction as well as the conclusion analyse model-free control in the light of recent advances.; Un exemple mathématique élémentaire prouve, grâce au critère de Routh-Hurwitz, un résultat à l'encontre de la pratique actuelle en commande sans modèle : il peut y avoir plus de difficultés à régler un correcteur proportionnel « intelligent » (iP) qu'un proportionnel-dérivé intelligent (iPD). Les simulations numériques de l'iPD et d'un PID classique tournent largement en faveur du premier. Introduction et conclusion analysent la commande sans modèle à la lumière des avancées actuelles.

This thesis investigates closed-loop control for glycemia regulation of Type1 Diabetes Mellitus (T1DM). Two main controller categories are designed: non-model-based and model-based. To test their efficiency, both types are tested in silico on two T1DM simulators. The first is a long-term model that is derived from clinical data of T1DM subjects and the second is the Uva/Padova simulator. Firstly, Model-free Control (MFC) is designed: a variable reference intelligent Proportional (iP) control and a constant reference intelligent Proportional-Integral-Derivative (iPID). Better overall performance is yielded with iPID over iP and over a classic PID. Secondly, a positive Sliding Mode Control SMC is designed for the first time for glycemia regulation. The model-based controller is chosen for glycemia regulation due to its well-known robustness properties. More importantly, our main contribution is that SMC is designed to be positive everywhere in the positively invariant set for the plasma insulin subsystem. Finally, a positive state feedback controller is designed for the first time to regulate glycemia. The largest Positively Invariant Set (PIS) is found. Not only control positivity is respected but rather a tight glycemic control is achieved. When the system initial condition belongs to the PIS, hypoglycemia is prevented, otherwise future hypoglycemia is predicted for any initial condition outside the PIS.; Cette thèse étudie le contrôle en boucle fermée pour la régulation de la glycémie du diabète de type 1 (DT1). Deux catégories principales de commande sont conçues: l'une est basée sur un modèle et l'autre non. Pour tester leur efficacité, les deux types sont testés in silico sur deux simulateurs de DT1. Le premier est un modèle à long terme qui est dérivé des données cliniques des sujets de DT1 et le second est le simulateur Uva/Padova. Tout d'abord, la commande sans modèle (CSM) est conçue. Après avoir montré qu'un régulateur proportionnel intelligent (iP) à référence constante peut être mis en défaut sur un simple second ordre, nous avons conçu un régulateur iP à référence variable. Une solution alternative est un régulateur proportionnel-intégral-dérivé intelligent (iPID) à référence constante. Une meilleure performance globale est obtenue avec iPID par rapport à iP et par rapport à un PID classique. Deuxièmement, une commande par modes glissants (CMG) garantie positive est conçue pour la première fois pour la régulation de la glycémie. La conception de cette commande est basée sur un modèle. La commande CMG est choisie pour la régulation de la glycémie en raison de ses propriétés de robustesse bien connues. Cependant, notre contribution majeure est l'assurance d'une commande rigoureusement positive. La commande CMG est conçue pour être positive partout dans un ensemble invariant du sous-système d'insulinémie du plasma. Enfin, un régulateur positif par retour d'état est calculé pour la première fois pour la régulation de la glycémie. Le plus grand ensemble positif invariant (EPI) est trouvé. Non seulement la positivité de la commande est révisée, mais plutôt un contrôle glycémique serré est atteint. Lorsque l'état initial du système appartient à l’EPI, l'hypoglycémie est évitée. Dans le cas contraire, l'hypoglycémie future est prédite pour tout état initial en dehors de l'EPI.

Inspired by the limitations of traditional PID controllers and the different performance in ideal and realistic cases, the existing quadrotors, their applications and control methods have been intensively studied in this dissertation. Many challenges are shown: embedded quadrotor systems have limit computational resources and energy; the aerodynamic dynamics is rather complex and poorly known; environment has many disturbances and uncertainties; many control methods have been proposed in ideal scenarios in literature without comparison. Therefore, this dissertation focuses on these main points in control of quadrotors.A kinematic model and a dynamic model are proposed, including all the important aerodynamic forces and moments. A simplified dynamic model is also given based on some applications. Then, the dynamics of quadrotor is analyzed. Using the normal form theory, the model of quadrotor is simplified to a simplest form named the normal form, which exhibits all possible dynamic properties of the original system. The bifurcations of its normal form are then studied, and the system can be further simplified at its bifurcation point using the center manifold theory.Based on the research of the applications in the first chapter, five typical realistic scenarios are proposed: an ideal case, the cases with wind disturbance, parameter uncertainties, sensor noises and actuator faults. These realistic cases can show comprehensively the performance of control methods respect to the ideal cases. An event triggered scheme is also proposed with the time triggered scheme in order to further save computational resources. Then, a newly proposed method the model free control is presented. It is a simple but efficient technique for the nonlinear, unknown or partially known dynamics. A backstepping control and a sliding mode control are also proposed for the sake of comparison.All the control methods are implemented in the time and event triggered schemes in five different scenarios. In order to keep closer to realistic situations, the control gains of each methods are not changed in different scenarios. Based on the study in the first chapter, ten criteria are chosen for measuring the performance of control methods, such as the maximum absolute tracking error, the error variance, the actuation steps, the energy consumption, etc.; Inspiré par les limitations de contrôleurs PID traditionnels et les différentes performances dans les cas idéals et réalistes, les quadrotors existants, leurs applications et leurs méthodes de contrôle ont été intensivement étudiés dans cette thèse. De nombreux challenges sont dévoilés: les systèmes embarqués ont des limites des ressources de calcul et de l'énergie; la dynamique est assez complexe et souvent mal connu; l'environnement a beaucoup de perturbations et d'incertitudes; de nombreuses méthodes de contrôle ont été proposées dans des scénarios idéaux dans la littérature sans comparaison avec d’autres méthodes. Par conséquent, cette thèse porte sur ces principaux points dans le contrôle de quadrotors.Tout d'abord, les modèles cinématiques et dynamiques sont proposés, y compris toutes les forces et couples aérodynamiques importants. Un modèle dynamique simplifié est également proposé pour certaines applications. Ensuite, la dynamique de quadrotor est analysée. En utilisant la théorie de la forme normale, le modèle de quadrotor est simplifié à une forme plus simple nommée la forme normale, qui présente toutes les propriétés dynamiques possibles du système d'origine. Les bifurcations de cette forme normale sont étudiées, et le système est simplifié à son point de bifurcation en utilisant la théorie de la variété du centre. Basé sur l’étude des applications de quadrotors, cinq scénarios réalistes sont proposés : un cas idéal, les cas avec la perturbation du vent, les incertitudes des paramètres, les bruits de capteurs et les fautes de moteur. Ces cas réalistes peuvent montrer plus globalement les performances des méthodes de contrôle par rapport aux cas idéaux. Un schéma déclenché par événements est également proposé avec le schéma déclenché par. Ensuite, la commande sans modèle est présentée, Il s'agit d'une technique simple mais efficace pour la dynamique non-linéaire, inconnue ou partiellement connue. La commande par backstepping et la commande par mode glissant sont également proposées pour la comparaison.Toutes les méthodes de contrôle sont mises en œuvre sous les schémas déclenchés par temps et par événements dans cinq scénarios différents. Basé sur l’étude des applications de quadrotors, dix critères sont choisis pour évaluer les performances des méthodes de contrôle, telles que l'erreur maximale absolue de suivi, la variance de l'erreur, le nombre d’actionnement, la consommation d'énergie, etc.

Inspired by the limitations of traditional PID controllers and the different performance in ideal and realistic cases, the existing quadrotors, their applications and control methods have been intensively studied in this dissertation. Many challenges are shown: embedded quadrotor systems have limit computational resources and energy; the aerodynamic dynamics is rather complex and poorly known; environment has many disturbances and uncertainties; many control methods have been proposed in ideal scenarios in literature without comparison. Therefore, this dissertation focuses on these main points in control of quadrotors.A kinematic model and a dynamic model are proposed, including all the important aerodynamic forces and moments. A simplified dynamic model is also given based on some applications. Then, the dynamics of quadrotor is analyzed. Using the normal form theory, the model of quadrotor is simplified to a simplest form named the normal form, which exhibits all possible dynamic properties of the original system. The bifurcations of its normal form are then studied, and the system can be further simplified at its bifurcation point using the center manifold theory.Based on the research of the applications in the first chapter, five typical realistic scenarios are proposed: an ideal case, the cases with wind disturbance, parameter uncertainties, sensor noises and actuator faults. These realistic cases can show comprehensively the performance of control methods respect to the ideal cases. An event triggered scheme is also proposed with the time triggered scheme in order to further save computational resources. Then, a newly proposed method the model free control is presented. It is a simple but efficient technique for the nonlinear, unknown or partially known dynamics. A backstepping control and a sliding mode control are also proposed for the sake of comparison.All the control methods are implemented in the time and event triggered schemes in five different scenarios. In order to keep closer to realistic situations, the control gains of each methods are not changed in different scenarios. Based on the study in the first chapter, ten criteria are chosen for measuring the performance of control methods, such as the maximum absolute tracking error, the error variance, the actuation steps, the energy consumption, etc.; Inspiré par les limitations de contrôleurs PID traditionnels et les différentes performances dans les cas idéals et réalistes, les quadrotors existants, leurs applications et leurs méthodes de contrôle ont été intensivement étudiés dans cette thèse. De nombreux challenges sont dévoilés: les systèmes embarqués ont des limites des ressources de calcul et de l'énergie; la dynamique est assez complexe et souvent mal connu; l'environnement a beaucoup de perturbations et d'incertitudes; de nombreuses méthodes de contrôle ont été proposées dans des scénarios idéaux dans la littérature sans comparaison avec d’autres méthodes. Par conséquent, cette thèse porte sur ces principaux points dans le contrôle de quadrotors.Tout d'abord, les modèles cinématiques et dynamiques sont proposés, y compris toutes les forces et couples aérodynamiques importants. Un modèle dynamique simplifié est également proposé pour certaines applications. Ensuite, la dynamique de quadrotor est analysée. En utilisant la théorie de la forme normale, le modèle de quadrotor est simplifié à une forme plus simple nommée la forme normale, qui présente toutes les propriétés dynamiques possibles du système d'origine. Les bifurcations de cette forme normale sont étudiées, et le système est simplifié à son point de bifurcation en utilisant la théorie de la variété du centre. Basé sur l’étude des applications de quadrotors, cinq scénarios réalistes sont proposés : un cas idéal, les cas avec la perturbation du vent, les incertitudes des paramètres, les bruits de capteurs et les fautes de moteur. Ces cas réalistes peuvent montrer plus globalement les performances des méthodes de contrôle par rapport aux cas idéaux. Un schéma déclenché par événements est également proposé avec le schéma déclenché par. Ensuite, la commande sans modèle est présentée, Il s'agit d'une technique simple mais efficace pour la dynamique non-linéaire, inconnue ou partiellement connue. La commande par backstepping et la commande par mode glissant sont également proposées pour la comparaison.Toutes les méthodes de contrôle sont mises en œuvre sous les schémas déclenchés par temps et par événements dans cinq scénarios différents. Basé sur l’étude des applications de quadrotors, dix critères sont choisis pour évaluer les performances des méthodes de contrôle, telles que l'erreur maximale absolue de suivi, la variance de l'erreur, le nombre d’actionnement, la consommation d'énergie, etc.

International audience; On aborde, par la "commande sans modèle", la régulation du niveau d'eau dans un aménagement hydraulique, soumis à de fortes contraintes, pour produire de l'électricité. Les nombreuses simulations numériques fournissent d'excellents résultats, obtenus grâce à des algorithmes robustes et simples.

Hydraulic systems are widely applied in industry for position or force control. However, due to hydraulic system nonlinearities, it is difficult to achieve a precise model valid over a large range of frequencies and movements. The work in this dissertation focuses on a high performance hydraulic test bench which involves three main hydraulic components, i.e. two high performance servovalves, a double rod actuator, and a specific intermediate block connecting the servovalves and actuator. This rig has been designed for testing aerospace or automotive components in real conditions (e.g. wear and ageing effects). The main objectives of this dissertation are first the development of a virtual prototype based on a precise model which is derived from the physical principles and experimental works, and then second the synthesis of several nonlinear control laws of this actuation system in a large operating range with a good robustness to the perturbations. The proposed model based on Bond Graph shows a very good agreement with experimental results not only at low frequencies, but also at high frequencies. Moreover, its performances are improved at high frequencies by introducing the dynamic effects due to the intermediate block. Besides, multivariable and monovariable control strategies, based on respectively the backstepping and the model-free method, are developed and implemented on the test bench. All the control strategies proposed have been validated by simulations and experiments. Results show they lead to better tracking precision and robustness performance compared to the conventional control techniques., Les systèmes électro-hydrauliques sont largement utilisés dans l’industrie pour des contrôles de position ou d’effort. Cependant, à cause des non-linéarités du système électro-hydraulique, il est difficile d’établir un modèle précis valable sur une large bande de fréquences et de grands mouvements. Le travail de cette thèse concerne un banc d’essai électro-hydraulique qui comporte trois composants hydrauliques principaux, à savoir deux servovalves haute performance, un vérin à double tige, et une embase spécifique qui relie les servovalves et le vérin. Ce banc d’essai a été conçu pour tester des composants aéronautique et automobile dans des conditions réelles (par exemple, tests d'usure ou de vieillissement). Le premier objectif principal de cette thèse concerne la mise en œuvre d’un prototype virtuel basé sur un modèle précis issu de considérations physiques et d'un travail expérimental afin d'identifier les paramètres et de valider le réalisme du prototype virtuel. Le deuxième objectif est d'élaborer des lois de commande non-linéaires sophistiquées avec une large plage de fonctionnement et une bonne robustesse aux perturbations. Le modèle proposé basé sur le Bond Graph montre une très bonne adéquation entre les résultats de simulation et les résultats expérimentaux non seulement en basses fréquences, mais également en fréquences élevées. En particulier, les performances en hautes fréquences sont nettement améliorées par l'introduction des effets dynamiques liés à l’embase. En outre, des lois de commande, respectivement basées sur le backstepping et sur la commande sans modèle, ont été élaborées et mises en œuvre sur le banc d’essai. Toutes les lois de commande proposées ont été validées à la fois en simulation et expérimentalement. Les résultats montrent qu’ils conduisent à de meilleures performances en suivi de position et en robustesse par rapport aux lois de commande classiques.

Le texte en anglais, présenté en conférence plénière (librement accessible sur http://hal-polytechnique.archives-ouvertes.fr/hal-00711847/en/) fournit des explications plus complètes et une bibliographie indispensable.; On propose pour la régulation d'accès autoroutier, système non linéaire complexe, la nouvelle commande << sans modèle >>. Plusieurs simulations numériques valident notre approche, simple à mettre en oeuvre et robuste par rapport aux perturbations.

International audience; New techniques of "model-free control'' are applied to throttles, which are valves that directly regulate the amount of air entering the engines. Our numerical simulations may be favorably compared to a flatness-based linear predictive control, where a precise mathematical model is needed. Some details of the implementation are provided.; On applique de nouvelles techniques de « commande sans modèle » aux papillons, qui sont des dispositifs d’alimentation en air de moteurs. Les simulations numériques se comparent favorablement à une commande prédictive linéaire, basée sur la platitude, nécessitant la connaissance d’un modèle précis. On fournit quelques détails de mise en œuvre.

International audience; New techniques of "model-free control'' are applied to throttles, which are valves that directly regulate the amount of air entering the engines. Our numerical simulations may be favorably compared to a flatness-based linear predictive control, where a precise mathematical model is needed. Some details of the implementation are provided.; On applique de nouvelles techniques de « commande sans modèle » aux papillons, qui sont des dispositifs d’alimentation en air de moteurs. Les simulations numériques se comparent favorablement à une commande prédictive linéaire, basée sur la platitude, nécessitant la connaissance d’un modèle précis. On fournit quelques détails de mise en œuvre.

The first part of the thesis is devoted to the control of differentially flat systems with constraints. Two types of systems are studied: non-linear finite dimensional systems and linear time-delay systems. We present an approach to embed the input/state/output constraints in a unified manner into the trajectory design for differentially flat systems. To that purpose, we specialize the flat outputs (or the reference trajectories) as Bézier curves. Using the flatness property, the system’s inputs/states can be expressed as a combination of Bézier curved flat outputs and their derivatives. Consequently, we explicitly obtain the expressions of the control points of the inputs/states Bézier curves as a combination of the control points of the flat outputs. By applying desired constraints to the latter control points, we find the feasible regions for the output Bézier control points i.e. a set of feasible reference trajectories. This framework avoids the use of generally high computing cost optimization schemes. To resolve the uncertainties arising from imprecise model identification and the unknown pertubations, we employ the Model-Free Control (MFC) and in the second part of the thesis we present two applications demonstrating the effectiveness of our approach: 1. We propose a controller design that avoids the quadrotor’s system identification procedures while staying robust with respect to the endogenous (the control performance is independent of any mass change, inertia, gyroscopic or aerodynamic effects) and exogenous disturbances (wind, measurement noise). To reach our goal, based on the cascaded structure of a quadrotor, we divide the system into positional and attitude subsystems each controlled by an independent Model-Free controller of second order dynamics. We validate our control approach in three realistic scenarios: in presence of unknown measurement noise, with unknown time-varying wind disturbances and mass variation while tracking aggressive manoeuvres. 2. We employ the Model-Free Control to control (maintain) the “horizontal elasticity” of a Cloud Computing system. When compared to the commercial “Auto-Scaling” algorithms, our easily implementable approach behaves better, even with sharp workload fluctuations. This is confirmed by experiments on the Amazon Web Services (AWS) public cloud.; La première partie de la thèse est consacrée à la commande avec contraintes de systèmes différentiellement plats. Deux types de systèmes sont étudiés : les systèmes non linéaires de dimension finie et les systèmes linéaires à retards. Nous présentons une approche unifiée pour intégrer les contraintes d'entrée/état/sortie dans la planification des trajectoires. Pour cela, nous spécialisons les sorties plates (ou les trajectoires de référence) sous forme de courbes de Bézier. En utilisant la propriété de platitude, les entrées/états du système peuvent être exprimés sous la forme d'une combinaison de sorties plates (courbes de Bézier) et de leurs dérivées. Par conséquent, nous obtenons explicitement les expressions des points de contrôle des courbes de Bézier d'entrées/états comme une combinaison des points de contrôle des sorties plates. En appliquant les contraintes souhaitées à ces derniers points de contrôle, nous trouvons les régions faisables pour les points de contrôle de Bézier de sortie, c'est-à-dire un ensemble de trajectoires de référence faisables. Ce cadre permet d’éviter le recours, en général fort coûteux d’un point de vue informatique, aux schémas d’optimisation. Pour résoudre les incertitudes liées à l'imprécision de l'identification et modélisation des modèles et les perturbations, nous utilisons la commande sans modèle (Model Free Control-MFC) et dans la deuxième partie de la thèse, nous présentons deux applications démontrant l'efficacité de notre approche : 1. Nous proposons une conception de contrôleur qui évite les procédures d'identification du système du quadrotor tout en restant robuste par rapport aux perturbations endogènes (la performance de contrôle est indépendante de tout changement de masse, inertie, effets gyroscopiques ou aérodynamiques) et aux perturbations exogènes (vent, bruit de mesure). Pour atteindre notre objectif en se basant sur la structure en cascade d'un quadrotor, nous divisons le système en deux sous-systèmes de position et d'attitude contrôlés chacun indépendamment par la commande sans modèle de deuxième ordre dynamique. Nous validons notre approche de contrôle avec trois scénarios réalistes : en présence d'un bruit inconnu, en présence d’un vent variant dans le temps et en présence des variations inconnues de masse, tout en suivant des manœuvres agressives. 2. Nous utilisons la commande sans modèle et les correcteurs « intelligents » associés, pour contrôler (maintenir) l'élasticité horizontale d'un système de Cloud Computing. Comparée aux algorithmes commerciaux d’Auto-Scaling, notre approche facilement implémentable se comporte mieux, même avec de fluctuations aigües de charge. Ceci est confirmé par des expériences sur le cloud public Amazon Web Services (AWS).