Дисертації з теми "Commande automatique – Régulateurs PID"

Le principe du système adaptatif réalisé consiste à prendre en compte les informations au fur et à mesure de leurs acquisitions et à les utiliser pour calculer directement les paramètres de commande sans passer par une identification du modèle mathématique proposé. On développe également une nouvelle méthode d'auto-réglage

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de l’étude des lois de commandes de vol pour hélicoptères. Les automaticiens doivent régler les gains de ces lois de manière à respecter au mieux les exigences de Qualités de Pilotage extraites de la norme ADS-33. La norme traduit ces exigences en termes de critères de Qualités de Vol. Ils évaluent la qualité de la stabilité, de l'agilité, et du suivi des consignes du pilote par la machine. Ils traduisent la pilotabilité de l'hélicoptère pour un pilote « moyen » de référence. A part une technique d’optimisation interactive développée à la NASA et l'US Army depuis 40 ans, il n’existe pas de méthode appropriée à ce problème. Les réglages sont effectués de manière empirique et itérative. L’ONERA propose une approche méthodologique structurée. L’objectif de la thèse consiste à développer cette méthodologie de manière à gérer deux contraintes supplémentaires par rapport aux capacités des méthodes de synthèse classiques en automatique : la capacité à prendre en compte la structure contrainte des lois de commande et les exigences spécifiques en terme de Qualités de Vol selon la norme ADS-33.Une technique d'amélioration des Qualités de Vol par analyse de sensibilités entre les gains et les critères est développée. Puis une méthodologie d’initialisation des gains est proposée, via la création et l’utilisation efficace de nouveaux abaques de Qualités de Vol pour modèles équivalents simplifiés. Afin d'améliorer l'efficacité de ce réglage initial, deux contraintes supplémentaires sont prises en compte (énergie et découplage). Enfin, un processus complet de réglage est proposé : initialisation, ajustement linéaire et ajustement non linéaire
This study is in the field of designing helicopter control laws. Designers must tune the gains of these laws in order to meet as much as possible Handling Qualities requirements from ADS-33. This standard translates these requirements in terms of Flying Qualities requirements. Then, we can evaluate the quality of the stability, of the quickness, and of the ability of the machine to follow the inputs from the pilot. Apart from an interactive optimization technique developed at NASA and US Army over the last 40 years, no appropriate method exists to solve this problem. Then, empirical iterative tunings are led. ONERA addresses this issue through a structured methodological approach. The aim of the thesis is to develop this methodology, taking into account two additional constraints compared with the capabilities of usual synthesis methods used in automatics: the capability to deal with the constraints from the control law structures and with the Handling Qualities requirements from the ADS-33 standards. A technique is developed to improve the Flying Qualities using sensitivity studies between gains and criteria. Then, a methodology to initialize the gains is developed, through the creation and the efficient usage of new Flying Qualities-based charts for equivalent simplified models. In order to improve the efficiency of the initial tuning, two additional constraints are taken into account (uncoupling and energy). Thus, a complete full procedure of tuning is proposed: initialization, linear adjustment and non linear adjustment

Ces travaux de thèse concernent l’intégration sur un bus continu et la commande des sources d'énergies renouvelables pour les systèmes de production et de stockage d'énergie électrique. Le système hybride étudié est constitué d'un générateur diesel, d'une éolienne, de panneaux photovoltaïques, et d'un banc de batteries acide-plomb le tout alimentant une charge donnée. Ces sources sont interfacées par des convertisseurs d'électronique de puissance afin de maintenir la tension du bus à une valeur de référence pour une alimentation correcte de la charge. Dans cette étude, nous avons modélisé le système multi-sources avec une représentation d’état hybride non linéaire qui utilise des variables discrètes et des variables continues. Les variables discrètes représentent les contacts de couplage permettant la connexion des convertisseurs statiques sur le bus continu. Les variables continues représentent les tensions et courants nécessaires pour satisfaire la charge. Nous avons ensuite développé une stratégie de commande hiérarchisée qui consiste à réguler la tension de bus, à adapter les taux de puissance extraits des sources et à coupler ou découpler les convertisseurs associés aux sources selon des critères de disponibilité énergétique. Les lois de commande du couplage des convertisseurs et de gestion du transfert de l'énergie sont élaborées à partir des caractéristiques de fonctionnement des convertisseurs et en particulier des variations du rapport cyclique de commande. Le rapport cyclique est un indicateur de corrélation entre la source et la charge et ses variations dépendent de la puissance extraite au niveau des sources. Nous avons montré qu’il constituait une variable de décision prioritaire dans l’optimisation énergétique des systèmes multi-sources et que son exploitation permet de réduire l’instrumentation nécessaire au fonctionnement de l’installation. A l’issue du travail, nous avons réalisé les convertisseurs d'électronique de puissance avec leurs dispositifs d'acquisition et de commande et nous avons pu valider notre approche avec des résultats expérimentaux qui mettent en évidence l'efficacité de la stratégie proposée pour la gestion de l'énergie
This thesis concerning integration and control of renewable energy sources in systems of power generation and energy storage. The hybrid system studied consists of a wind generator, a diesel generator, photovoltaic panels and lead acid batteries for supplying continuous loads. All these sources are interfaced with the power electronics in aims to maintain the DC bus voltage to a reference value for supplying correctly the load demand. In this study we have done the model of the multisource system by using a hybrid nonlinear state space representation that uses discrete and continuous variables. Discrete variables are the contacts used to connect power converters on the DC bus. Continuous variables represent voltage and current to satisfy the load. We then developed a hierarchical control strategy which is used to regulate the voltage of the DC bus, to adjust the power rate extracted from the sources and to connect or disconnect the converter associated with sources according to criteria of energy availability. The control laws of power converters and the energy transfer management methods are developed from a study of the technological characteristics of different components of the system on one hand and information of the duty cycle value on the other. The duty cycle is a correlation measure between the source and the load. Its variations depend on the power extracted of the source. We showed that it was a priority decision variable in optimization energy of multi-source systems and operations can reduce the necessary instrumentation to control the installation. Following the methodological work, we are realized the power electronic converters and the acquiring system (and measuring). We are also validated our approach with experimental results that show the effectiveness of the strategy proposed for the energy management and the control of power converters

Etude du dispositif de régulation sur une portion de frontière d'une région ouverte oméga du plan : ce dispositif comprend un régulateur PID dont le signal de commande est une mesure de différence de température. Possibilité d'un réglage optimal du régulateur pour une perturbation connue de la température initiale. Simulation numérique bidimensionnelle du fonctionnement

Ce travail porte sur la définition des systèmes flous et la synthèse des régulateur flous. La notation matricielle introduite unifie dans un même formalisme, afin de faciliter son implémentation dans un calculateur, l'ensemble des étapes pour la conception d'un système flou. L'étude systématique et rigoureuse menée sur les PID flous courants, nous a conduit à proposer deux nouvelles architectures de régulateurs flous : un PI-Flou et un PID-Flou présentant un excellent comportement dynamique. La méthodologie de synthèse définie permet, à partir d'une connaissance élémentaire du système à piloter, d'auto régler les régulateurs flous proposés ; on s'affranchit ainsi de la principale difficulté rencontrée lors de la mise en œuvre d'une commande floue. Tous les outils développés, associés à un estimateur flou, sont ensuite appliqués dans la Commande Vectorielle Floue par Orientation Indirecte du Flux Rotorique d'un moteur asynchrone. Les résultats obtenus montrent l'intérêt de notre approche
This work concerns the definition of fuzzy systems and the synthesis of fuzzy controllers. The introduced matrix notation unifies in the same formalism, in order to facilitate its computer's implementation, all the stages to design fuzzy system. A systematic and rigorous study of standard fuzzy PID led us to propose two new architectures of fuzzy regulators : Fuzzy-PI, and Fuzzy-PID which present an excellent dynamic behaviour. Tuning parameters is the principal difficulty encountered during fuzzy PID implementation. Basic knowledge of controlled system, and the use of methodology we have defined to synthesis fuzzy regulators allows to autotune the proposed fuzzy regulators. All the developed tools, associated to a fuzzy estimator, are applied in the Fuzzy Vectorial Control by Indirect Rotor Flux Orientation of asynchronous machine. The results obtained show the interest of our approach

Dans cette these, nous presentons une methode de synthese d'un controleur flou basee sur une optimisation globale par un algorithme genetique. Tous les parametres reglant le fonctionnement du controleur flou (fonctions d'appartenance, regles floues, defuzzification) sont optimises simultanement. Nous proposons une methode de codage mixte, dans laquelle un individu est represente par trois chromosomes decrivant les differents parametres du controleur. Nous definissons les operations genetiques de croisement et de mutation utilisees dans cet algorithme genetique. Nous presentons deux exemples dans lesquels nous avons exploite cette methode de synthese. Dans ces deux applications, le controleur flou permet d'ajuster dynamiquement les parametres d'un systeme complexe. Le premier exemple decrit la synthese d'un controleur flou utilise pour modifier dynamiquement les coefficients d'un regulateur de type pid. Dans le deuxieme exemple, le controleur flou ajuste les parametres d'un algorithme genetique utilise pour estimer la position angulaire d'un objet.

Le tube a passage de courant (tpc) de plus en plus appele echangeur electrique est une technologie de chauffage tres recente. L'automatisation de la conduite n'en est qu'a ses debuts. Actuellement ce sont des regulateurs de tableau, de type pid qui pilotent la temperature des installations de chauffage des fluides. Les reglages sont longs et difficiles et rarement satisfaisants, notamment pour les fluides thermosensibles qui sont deteriores par les depassements de temperature. Un regulateur specifique performant a donc ete etudie et mis au point. La premiere etape du travail a consiste a modeliser le procede. Considere comme un probleme mono-dimensionnel (suivant l'axe du tube), le rechauffeur est alors decrit par deux equations aux derivees partielles (edp) reliant le champ de temperature dans le fluide et dans le tube. Chacun des termes de ces equations est bien connu et la resolution numerique est relativement simple. Le modele numerique obtenu est fiable, avec peu d'incertitudes. Il permet de bien representer la plupart des echangeurs electriques actuels (pilotes de laboratoire et appareils industriels). Compte tenu de la bonne validite du modele, de la diversite des rechauffeurs, et des performances demandees, nous nous sommes donc orientes vers une regulation basee sur un modele proche du modele de connaissance. L'idee est d'obtenir un seul regulateur valable pour tous les rechauffeurs, avec un reglage simplement a l'aide de variables physiques (donc accessible a un utilisateur non automaticien). Le premier regulateur developpe est un regulateur a reponse pile, calcule a partir d'un modele inhabituel nomme modele en rampe ecretee. Le deuxieme regulateur utilise la structure de commande a modele interne. Cette structure permet la synthese de lois de commande robustes et l'utilisation directe dans la synthese, du modele edp permet de bien comprendre les performances atteignables par le systeme.

L’environnement marin est un cadre très hostile pour la robotique. Il est fortement non-structuré, très incertain et inclut beaucoup de perturbations externes qui ne peuvent pas être facilement prédites ou modélisées. Dans ce travail, nous allons essayer de contrôler un véhicule sous-marin autonome (AUV) afin d’effectuer une tâche de suivi de points de cheminement, en utilisant un contrôleur basé sur de l’apprentissage automatique. L’apprentissage automatique a permis de faire des progrès impressionnants dans de nombreux domaines différents ces dernières années, et le sous-domaine de l’apprentissage profond par renforcement a réussi à concevoir plusieurs algorithmes très adaptés au contrôle continu de systèmes dynamiques. Nous avons choisi d’implémenter l’algorithme du Soft Actor-Critic (SAC), un algorithme d’apprentissage profond par renforcement régularisé en entropie permettant de simultanément remplir une tâche d’apprentissage et d’encourager l’exploration de l’environnement. Nous avons comparé un contrôleur basé sur le SAC avec un contrôleur Proportionnel-Intégral-Dérivé (PID) sur une tâche de suivi de points de cheminement et en utilisant des métriques de performance spécifiques. Tous ces tests ont été effectués en simulation grâce à l’utilisation de l’UUV Simulator. Nous avons décidé d’appliquer ces deux contrôleurs au RexROV 2, un véhicule sous-marin téléguidé (ROV) de forme cubique et à six degrés de liberté converti en AUV. Grâce à ces tests, nous avons réussi à proposer plusieurs contributions intéressantes telles que permettre au SAC d’accomplir un contrôle de l’AUV de bout en bout, surpasser le contrôleur PID en terme d’économie d’énergie, et réduire la quantité d’informations dont l’algorithme du SAC a besoin. De plus nous proposons une méthodologie pour l’entraînement d’algorithmes d’apprentissage profond par renforcement sur des tâches de contrôle, ainsi qu’une discussion sur l’absence d’algorithmes de guidage pour notre contrôleur d’AUV de bout en bout
The marine environment is a very hostile setting for robotics. It is strongly unstructured, very uncertain and includes a lot of external disturbances which cannot be easily predicted or modelled. In this work, we will try to control an autonomous underwater vehicle (AUV) in order to perform a waypoint tracking task, using a machine learning-based controller. Machine learning allowed to make impressive progress in a lot of different domain in the recent years, and the subfield of deep reinforcement learning managed to design several algorithms very suitable for the continuous control of dynamical systems. We chose to implement the Soft Actor-Critic (SAC) algorithm, an entropy-regularized deep reinforcement learning algorithm allowing to fulfill a learning task and to encourage the exploration of the environment simultaneously. We compared a SAC-based controller with a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller on a waypoint tracking task and using specific performance metrics. All the tests were performed in simulation thanks to the use of the UUV Simulator. We decided to apply these two controllers to the RexROV 2, a six degrees of freedom cube-shaped remotely operated underwater vehicle (ROV) converted in an AUV. Thanks to these tests, we managed to propose several interesting contributions such as making the SAC achieve an end-to-end control of the AUV, outperforming the PID controller in terms of energy saving, and reducing the amount of information needed by the SAC algorithm. Moreover we propose a methodology for the training of deep reinforcement learning algorithms on control tasks, as well as a discussion about the absence of guidance algorithms for our end-to-end AUV controller

L’objectif de ce travail de thèse est de présenter des résultats expérimentaux ducontrôle de la température au sein d’une serre. Des techniques de commande de types PIDet LQG, ajustées à l’aide de l’identfication et des techniques de commande sans modèle sontappliquées au processus complexe de régulation des paramètres climatiques sous serre. Les résultatsobtenus nous ont permis d’envisager à terme une meilleure maîtrise des paramètresclimatiques. La mise en oeuvre de ces contrôleurs requiert généralement la réalisation d’undispositif électronique piloté par ordinateur doté d’une carte d’acquisition et de restitution desdonnées. Cette carte qui est aussi associée aux circuits électroniques permet de réaliser l’acquisition,le traitement et le stockage des données climatiques (température, humidité relativede l’air, et teneur en CO2). Elle permet en outre une meilleure adaptation de la puissancefournie aux différents actionneurs installés au sein de la serre. Des interfaces graphiques ontété développées, en utilisant le logiciel SIMULINK/Matlab. Ces derniers rassemblent à la foisune rapidité de fonctionnement, une facilité d’utilisation et une interactivité et une puissancede traitement en temps réel de l’ensemble des données
The principal aim of this thesis is to present the experimental results for controllingtemperature under greenhouse. The PID and LQG controllers are inevitably adjusted by theidentification and the model free control also was implemented to the complex system in orderto regulate the climatic parameters under greenhouse. The obtained results shows the goodperformances for monitoring these parameters. The greenhouse environment is automated withseveral actuators and sensors that are connected to an acquisition and control system basedon a personal computer . This later is associated with electronic circuits allows to protectthe acquisition card against overvoltages and perform the acquisition, treatment and storageof climate data (temperature, relative humidity of the air, and content of CO2). It permitsfurthermore to obtain a good adaptation power given to the actuators that installed in thegreenhouse. Graphical interfaces have been developed using the Simulink/Matlab software.these later bring together both speed foncionnement, ease of use and interactivity and powerof processing the data in real-time

Le but de ce travail est de définir les règles de synthèse de différentes lois de commande afin de leur donner un caractère robuste. Nous étudions la problématique du contrôle d'un actionneur synchrone en présence d'une charge mécanique. Cette charge est entraînée par un accouplement élastique et présente une valeur d'inertie variable et bornée. La synthèse de correcteurs simples est présentée et des méthodes pour obtenir le meilleur correcteur sur l'intervalle de variation des paramètres sont presentées. Nous avons présenté dans ce travail, les règles de synthèse d'un régulateur PID sur lequel nous avons ajouté une méthode itérative d'optimisation basée sur l'expertise du comportement du système ainsi qu'un algorithme génétique. Cette partie a permis de donner des règles simples de synthèse et de paramétrisation de la méthode d'optimisation afin de trouver les 3 degrés de liberté de correction optimaux. La synthèse de correcteurs dans l'espace d'état a ensuite été abordée en étudiant le meilleur placement de pôle en fonction de l'élasticité et de la variation d'inertie. La méthode de synthèse par optimisation d'un critère quadratique intégrale (LQI) est largement presentée. Cette partie permet de donner les lignes directrices et les critères à choisir pour obtenir un placement de pôle respectant au mieux le cahier des charges et un comportement robuste aux variations de paramètres. L'étude de la méthode LQI à 3 degrés de liberté à permis de lier la valeur des coefficients aux pôles et au comportement du système en boucle fermée. Une deuxième méthode de synthèse par optimisation LQI permet de définir les gains du régulateur à partir d'un placement de pôles souhaité. Toutes ces structures de contrôle ont été vérifiées en simulation en tenant compte du pilotage de la machine synchrone au travers de son convertisseur statique. Les boucles internes de gestion des rapports cycliques et des boucles de courant sont présentées de manière à expliquer certain phénomène et afin de fixer correctement les dynamiques internes souvent négligées. Ces correcteurs ont ensuite été implanté dans un environnement dSPACE, sur un banc d'essai constitué d'un convertisseur MLI, d'un actionneur synchrone autopiloté entraînant une charge mécanique identique au problème évoqué présentant un accouplement élastique et des disques additionnels permettant la variation d'inertie. Une extension vers des correcteurs plus avancés sont présentés en mettant l'accent sur les difficultés qui apparaissent pour la représentation des systèmes (mathématique et forme augmentée pour les approches H1, LMI, réduction de modèle, etc) sur la complexité des méthodes de recherche de solution (Riccati, inégalités matricielles contraintes, etc). Finalement une perspective mélangeant l'effet des correcteurs et des observateurs est brièvement présentée au travers de la méthode LQI et d'un observateur d'état et de perturbation. Des résultats de simulation et d'expérimentation encourageants sont également présentés tout en conservant des règles de synthèse simples et liées à la connaissance du comportement du système.

Le point de fonctionnement optimal de la colonne d'extraction liquide liquide est determine a l'aide de deux regulateurs : un regulateur pid et un regulateur de commande adaptative : le regulateur predictif generalise. Les etudes sont realisees sur le systeme eau-toluene-acetone. L'etude de l'hydrodynamique et du transfert de matiere situant le point optimal de fonctionnement pres de l'engorgement

Dans cette thèse, nous abordons le problème de régulation et d'asservissement des systèmes bouclés par des contrôleurs flou de type PD et PI. On analyse les propriétés de la loi de commande fournie par le contrôleur flou et on établit des conditions suffisantes qui assurent la stabilité de la boucle fermée. Ces conditions déterminent le domaine d'application des contrôleurs flous étudiés et fournissent des critères utiles pour leur réglage. Le mémoire est organisé en quatre chapitres. Le premier décrit les principaux aspects de la commande floue pour aboutir aux définitions de la classe des contrôleurs-flous de type PI et PD. On y illustre le fait que des bases de règles et des mécanismes d'inférence-défuzzification différents permettent d'obtenir des performances de régulation semblables. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse de la classe des contrôleurs flous PI ou PD en tant que systèmes dynamiques comportant une entrée et une relation de sortie qui est une fonction de l'entrée et de l'état. Nous faisons également apparaître une relation de «positivité» entre la sortie et une variable auxiliaire définie par une combinaison linéaire de l'entrée et de l'état. Dans le troisième chapitre, nous exploitons cette relation de positivité pour obtenir des conditions suffisantes de stabilité asymptotique globale des systèmes bouclés comprenant un système linéaire et un contrôleur PI ou PD. Le dernier chapitre est consacré à l'étude des systèmes bouclés comprenant un système de type Euler-Lagrange à deux degrés de liberté, complètement ou partiellement motorisé, et un contrôleur flou PD uniquement. Les analyses et les résultats de stabilité asymptotique obtenus sont, pour la plupart, limités à un cas particulier de contrôleur flou PD, pour lequel la partie non linéaire peut être décomposée en deux fonctions non linéaires d'un seul argument. Les conditions ainsi obtenues ne portent que sur les propriétés du système Euler-Lagrange, elles sont indépendantes du réglage du contrôleur.

Dans cette thèse, nous abordons le problème de la stabilisation des systèmes non linéaires. En particulier, nous nous concentrons sur les modèles où l'énergie joue un rôle fondamental. Ce cadre énergétique est adapté pour capturer les phénomènes de plusieurs domaines physiques tels que les systèmes mécaniques, les systèmes électriques, les systèmes hydrauliques, etc. Le point de départ des contrôleurs proposés sont les concepts de système passif, des sorties passives et des fonctions d'énergie (ou stockage). Dans ce travail, nous étudions deux classes de systèmes dynamiques, à savoir les Hamiltoniens à ports (PH) et les Euler-Lagrange (EL), qui conviennent pour représenter de nombreux processus physiques. Une première étape vers la construction des contrôleurs est de montrer la passivité des systèmes PH et la caractérisation de leurs sorties passives. Par la suite, nous explorons l'utilisation des différentes sorties passives dans deux techniques bien connues de contrôle par passivité (PBC), c'est-à-dire le contrôle par interconnexion (CbI) et l'équilibrage énergétique (EB), et nous comparons les résultats obtenus dans les deux approches. De plus, nous proposons une nouvelle méthodologie dans laquelle la loi de commande est composée d'un terme proportionnel (P), un terme intégral (I) et, éventuellement, un terme dérivatif (D) de la sortie passive. Dans cette stratégie, l'énergie du système en boucle fermée est façonnée sans qu'il soit nécessaire de résoudre des équations différentielles partielles (PDE). Nous analysons le scénario du régulateur PID à l'aide des différentes sorties passives précédemment caractérisées. Enfin, nous appliquons un schéma PID-PBC récemment proposé dans la littérature à un système mécanique complexe, à savoir un pendule inversé ultra flexible, représenté sous la forme d'un modèle contraint EL. La conception du contrôleur, la preuve de stabilité, ainsi que les simulations et les résultats expérimentaux sont présentés pour montrer l'applicabilité de cette technique aux systèmes physiques
In this thesis we address the problem of stabilization of nonlinear systems. In particular, we focus on models where the energy plays a fundamental role. This energy-based framework is suitable to capture the phenomena of several physical domains, such as mechanical systems, electrical systems, hydraulic systems, etc. The starting point in the proposed controllers are the concepts of passive system, passive outputs and energy (storage) functions. In this work we study two classes of dynamical systems, namely port-Hamiltonian (PH) and Euler-Lagrange (EL), which are suitable to represent many physical processes. A first step towards the controller design is to show the passivity of the PH systems and the characterization of their passive outputs. Thereafter, we explore the use of the different passive outputs in two well-known passivity-based control (PBC) techniques, that is control by interconnection (CbI) and energy balancing (EB), and we compare the obtained results in both approaches. In addition, we propose a novel methodology in which the controller consists in a proportional (P), an integral (I) and, possibly, a derivative (D) term of the passive output. In this approach the energy of the closed-loop system is shaped without the necessity of solving partial differential equations (PDEs). We analyze the scenario of the PID controller using the different passive outputs previously characterized. Finally, we apply a PID-PBC scheme recently proposed in the literature to a complex mechanical system, namely an ultra flexible inverted pendulum, which is represented as a constrained EL model. The controller design, the stability proof, as well as simulations and experimental results are presented to show the applicability of this technique to physical systems

L'objectif de cette these est de presenter un ensemble de methodologies concernant deux types de commande numerique: conventionnelle et non conventionnelle. Nous presentons d'abord les techniques conventionnelles a savoir la regulation pid et les regulateurs auto-ajustables, cas particulier de la commande adaptative; ceci bien entendu apres avoir modelise le systeme qui est dans notre cas un groupe moteur-alternateur. Pour la regulation pid, des methodes de calcul des parametres du regulateur ont ete expliquees et comparees, en simulation et en temps reel pour la regulation de la vitesse du groupe. Les algorithmes de deux types de regulateur auto-ajustable, pid et a commande optimale, ont ete detailles et appliques sur le meme site. Les problemes poses par l'une ou l'autre des deux techniques conventionnelles ont ete discutes. La commande floue, technique non conventionnelle, a ete introduite par la description detaillee et claire des differents blocs du schema synoptique general d'un tel type de commande: fuzzification, regles de controle, inference, defuzzification. Pour le meme type de commande, une methode pratique de developpement d'algorithmes de regulation floue a ete decrite. L'algorithme ainsi developpe a ete applique pour la regulation de vitesse du groupe, la regulation de temperature d'un four et la comparaison avec des techniques conventionnelles a savoir un pid numerique et une commande adaptative supervisee. Une autre alternative a ete presentee. Elle consiste a associer les deux types de commande dans deux structures de commande differentes. La premiere combine en parallele un pid et un controleur flou. Le second utilise la logique floue pour superviser le fonctionnement d'un pid et adapter ses parametres

Powder mixing is an essential operation in various industrial fields, such as pharmaceuticals, agro-food, cements, etc. Continuous powder mixing, as an alternative to conventional batch mixing, has attracted a lot of interest mainly due to its capacity in handling high volume manufacturing. This work aims at the contribution to the implementation of process control applications for powder mixing in a pilot-scale continuous mixer. Prior to developing process control strategies, new developments have been presented for better understanding continuous mixing of two components. Hold-up weight and relative hold-up weight distribution of each component in the whole mixer have been experimentally investigated under different operating conditions. An improved Markov chain model has been finally presented to predict the mean concentration of the mixtures obtained at the mixer's outlet. The implementation of a proportional-integral-derivative (PID) controller has been experimentally performed as an initial attempt to real-time control the homogeneity of the mixture produced. The rotational speed of the stirrer, identified as an important deciding factor towards the mixer's efficiency, has been considered as the manipulated variable. The closed-loop control is based on either the mean concentration or the relative standard deviation. The performances of the proposed closed-loops have been evaluated for continuous mixing subjected to step changes in feed rates of the mixer. Four case studies have been defined and presented. The main challenge in the process control system is the tuning of PID parameters. The performance of closed-loop control of either the mean concentration or the relative standard deviation has been compared to open-loop operation.

Les applications du calcul fractionnaire en automatique se sont considérablement développées ces dernières années, surtout en commande robuste. Ce mémoire est une contribution à la commande robuste des systèmes d'ordre entier à l'aide d'un correcteur PID d'ordre fractionnaire.Le conventionnel régulateur PID, unanimement apprécié pour le contrôle des processus industriels, a été adapté au cas fractionnaire sous la forme PInDf grâce à l'introduction d'un modèle de référence d'ordre non entier, réputé pour sa robustesse vis-à-vis des variations du gain statique.Cette nouvelle structure a été étendue aux systèmes à retard sous la forme d'un Prédicteur de SMITH fractionnaire. Dans leur forme standard, ces correcteurs sont adaptés à la commande des systèmes du premier et du second ordre, avec ou sans retard pur.Pour des systèmes plus complexes, deux méthodologies de synthèse du correcteur ont été proposées, grâce à la méthode des moments et à l'approche retour de sortie.Pour les systèmes dont le modèle est obtenu à partir d'une identification, la boucle fermée doit en outre être robuste aux erreurs d'estimation. Un modèle pire-cas, déduit de la matrice de covariance de l'estimateur et des domaines d'incertitudes fréquentielles, a été proposé pour la synthèse du correcteur.Les différentes simulations numériques montrent l'efficacité de cette méthodologie pour l'obtention d'une boucle fermée robuste aux variations du gain statique et aux incertitudes d'identification
The application of fractional calculus in automatic control have received much attention these last years, mainly in robust control. This PhD dissertation is a contribution to the control of integer order systems using a fractional order PID controller.The classical PID, well known for its applications to industrial plants, has been adapted to the fractional case as a PInDf controller, thanks to a fractional order reference model, characterized by its robustness to static gain variations.This new controller has been generalized to time delay systems as a fractional SMITH Predictor. In standard case, these controllers are adapted to first and second order systems, with or without a time delay. For more complex systems, two design methodologies have been proposed, based on the method of moments and on output feedback approach.For systems whose model is obtained by an identification procedure, the closed loop has to be robust to estimation errors. So, a worst-case model, derived from the covariance matrix of the estimator and the frequency uncertainty domains, has been proposed for the design of the controller.The different numerical simulations demonstrate that this methodology is able to provide robustness to static gain variations and to identification uncertainties

Dans ce mémoire de thèse, nous présentons la conception, l'analyse de la stabilité, les simulations numériques et aussi les résultats des expérimentes concernant différents contrôleurs de vitesse mécanique du moteur à réluctance variable (MRV).Dans les deux premiers chapitres une brève description de la physique et de la construction du MRV est présenté ainsi que le problème du contrôle d'être abordé, c'est la commande de vitesse sans capteur. Il est aussi présenté l'état de l'art de ce problème et certains des solutions proposées dans d'autres travaux. On propose notre solution et on présente un petit résumé des articles scientifiques qui ont été publiés dans des magazines et des conférences.Dans le chapitre numéro trois est présenté le design du contrôleur adaptatif et sans capteur du MRV. On suppose, dans une première étape que seule la vitesse mécanique est inconnue et la stabilité exponentielle uniforme des erreurs de suivement est obtenue. Dans une deuxième étape, les conditions d'opération sont aggravées et, en plus de la vitesse, les paramètres physiques sont également supposées inconnues, la stabilité asymptotique uniforme est obtenue dans ce cas. L'estimation des paramètres du MRV est garantie grâce à la condition de persistance d'excitation. Cette commande se compose de deux boucles, une boucle interne basée sur un contrôleur de type PI2D qui est particulièrement intéressant parce qu'il est libre de modèle; cette boucle entraîne les variables mécaniques -la position et la vitesse- vers une référence désirée. Une deuxième boucle de contrôle externe prend le courant électrique vers un ' "courant de référence virtuelle" qui est généré sur la base d'une approche de partage de couple. Le contrôleur propose est testé au niveau de simulations numériques qui sont également présentés.Dans le quatrième chapitre, une nouvelle approche de modélisation du MRV est utilisée pour concevoir le contrôleur. Dans ce scénario, on suppose que l'ensemble de l'état et tous les paramètres physiques sont disponibles, cette approche est pensée pour être adapté au contrôleur basé sur observateur, recherche qui est en cours de développement. Le contrôleur est composé de deux boucles, également que celui qui a été mentionné précédemment. Ce contrôleur est sélectionné parce qu'il est approprié pour le contrôle d'équivalence vraie, qui il s'agit de remplacer les «mesures physiques» provenant d'un capteur par les «observations» provenant d'un observateur. La mise en oeuvre numérique est effectuée sur Simulink de Matlab.Enfin, dans le chapitre cinq, les résultats expérimentaux qui ont été effectués pour évaluer la performance des contrôleurs proposés -ce sont les PI2D et adaptatif PI2D pour le modèle simplifie ainsi que le PID pour le nouveau approche de modélisation- sont présentés. Dans la première partie, une brève description de la construction du banc de tests utilisé est présenté ainsi que quelques-unes caractéristiques techniques. Trois différentes profils de vitesse sont imposées à chacun des contrôleurs proposés -ce sont la tangente hyperbolique, la rampe saturée et la référence sinusoïdal- et de bonnes résultats sont obtenus en considérant que la variable contrôlée est la vitesse. Le dernier chapitre correspond aux conclusions de la recherche effectuée ainsi qu'aux travaux futurs
In this thesis dissertation we present the design, stability analysis, numerical simulations and physical experiments of different controllers designed to drive the mechanical velocity of the switched reluctance motor (SRM). In the First and Second Chapters a brief description of the physics and construction of the SRM is presented, as well as the problem of control to be aboard, that is the velocity sensorless control of motors and the state of the art of this problem. The proposed solution is introduced and a summary of the published papers as well as the contribution are also presented.In the Chapter number three is presented the velocity sensorless and adaptive control of the SRM. It is assumed, in a first stage, that only mechanical velocity is unknown, uniform exponential stability of the errors is achieved in this scenario. In a second stage, conditions are stressed and in addition to the velocity, physical parameters are also assumed unknown, uniform asymptotical stability is achieved in this case and parameters estimation is guaranteed under a persistence of excitation condition. This controller consists of two loops, an internal loop based on a PI2D–type controller which is of particular interest given it is free-model; this loop drives the mechanical variables –that is position and velocity- towards a desired reference. An external control loop takes the electrical current towards a ‘’virtual” current reference which is generated based on a torque share approach. The controller is tested on numerical simulations, which are also presented.In the fourth chapter, a new approach on the modeling of the SRM is utilized to design the controller, in this scenario is assumed that the whole state and all the physical parameters are available, however this approach is thought to be suitable to observer based controller, whose ongoing research is being performed. The controller is composed by two loops, similarly to the one mentioned previously. This controller is selected because it is suitable for certainty equivalence control, that is, to substitute the “measurements” by the “observations” coming from a virtual sensor. Numerical implementation is performed on Simulink of Matlab.Finally, in the Chapter five, the experimental results carried out to evaluate the performance of the proposed controllers are presented, these are the PI2D and the adaptive PI2D controllers for the simplified model and the $PID$ controller for the novel modeling approach. In the first part, a brief description of the construction of the utilized bench is presented as well as the some technical characteristics. Three different velocity profiles were imposed to each of the overmentioned controllers –these are the so called smooth step, the saturated ramp and the sinusoidal reference- and good results, considering that the controlled variable is the velocity, were obtained. The last chapter corresponds to the conclusions of the performed research as well as to the future work

Le régulateur PID (Proportionnel-Intégral-Dérivée) est la commande par retour d'état la plus connue. Elle permet d'aborder un bon nombre de problèmes de commande, particulièrement pour des systèmes faiblement non linéaire et dont la performance requise est relativement modeste. En plus, en raison de sa simplicité, la commande PID est largement utilisée en l'industrie. Étant donnés que les méthodes de réglage de la commande PID sont basées sur la linéarisation, la synthèse d'un contrôleur autour d'un point d'équilibre est relativement simple, néanmoins, la performance sera faible dans des modes de fonctionnement loin du point d'équilibre. Pour surmonter ce désavantage, une pratique courante consiste en adapter les gains du PID, procédure connue sous le nom de séquencement de gain (ou gain-scheduling en anglais). Il y a plusieurs désavantages à cette procédure, comme la commutation des gains de la commande et la définition -non triviale- des régions de l'espace d'état dans lesquelles cette commutation aura lieu. Ces deux problèmes se compliquent quand la dynamique est fortement non linéaire. Dans d'autres méthodes, la synthèse de la commande utilise des schémas empiriques, ce qui ne permet pas l'analyse de la stabilité globale du processus. Dans ce contexte, ce travail de thèse a pour objectif de synthétiser des contrôleurs PI, basés sur la passivité, de telle sorte que la stabilité globale du système en boucle fermé soit garantie. L'un des avantages à utiliser la passivité est son attrait intuitif, qui exploite les propriétés physique des systèmes. L'idée centrale dans un système passive est que l'écoulement d'énergie entrante au système provenant de l'extérieur n'est pas inférieur à l'incrément de son énergie de stockage. Par conséquence, ces systèmes ne peuvent pas stocker plus d'énergie que celle fournie, dont la différence correspond à l'énergie dissipée. En introduisant le concept d'énergie, cette méthodologie nous permet de formuler le problème de commande en celui de trouver un système dynamique dont la fonction de stockage d'énergie prend la forme désirée. En incorporant le concept d'énergie cette méthode devient accessible à la communauté de praticiens et permets de fournir des interprétations physique de l'action de commande. Dans cette thèse, une méthodologie constructive de commande PI basée sur la passivité est présentée et motivée par des applications à des systèmes physiques
One of the best known forms of feeding back a system is through a three-term control law called PID (Proportional-Integral-Derivative) controller. PID controllers are sufficient for many control problems, particularly when process dynamics are not highly nonlinear and the performance requirements are modest. Besides, because of its simple structure, the PID controller is the most adopted control scheme by industry and practitioners, beeing the PI the form mostly employed. Since the PI tuning methods are based on the linearization, commissioning a PI to operate around a single operating point is relatively easy, however, the performance will be below par in wide operating regimes. To overcome this drawback the current practice is to re-tune the gains of the PI controllers based on a linear model of the plant evaluated at various operating points, a procedure known as gain-scheduling. There are several disadvantages of gain-scheduling including the need to switch (or interpolate) the controller gains and the non-trivial definition of the regions in the plants state space where the switching takes place - both problems are exacerbated if the dynamics of the plant is highly nonlinear. In other common scenarios, a little information about the process dynamics or only a "good" linear approximation is taken into account when designing the control design. This impedes to analyse the global stability of the system. In this context, the current thesis work is aimed at the designing of PI controllers, based on the passivity theory, such that the stability of the closed-loop system is guarantied. One of the main advantages of passivity concepts is that they offer a physical and intuitive appeal. The primary idea in passive systems is that the power flowing into the system is not less that the increase of storage. Thus, they cannot store more energy than is supplied to it from the outside, with the difference being the dissipated energy. Thus, introducing the concept of energy, this methodology allows to recast the control problem as finding a dynamical system such that system energy function takes the desired form. Also, with this formulation, the communication between practitioners and control theorists is facilitated, incorporating prior knowledge of the system and providing physical interpretations of the control action. In this thesis, a constructive methodology for deriving PI passivity-based controllers is presented and motivated by the application to physical systems

Cette thèse porte sur la modélisation, la réduction et la commande des grands systèmes électriques.En terme de modélisation et de réduction, l'objectif principal est de développer une méthode de réduction des modèles dynamiques des systèmes électriques. Cette réduction a pour objet de répondre à une situation particulière dans laquelle toutes les données du système à réduire ne sont pas connues.En terme de commande, l'objectif est la conception de commandes robustes coordonnées pour répondre aux nouvelles contraintes des grands systèmes électriques. Ces approches doivent respecter trois niveaux de coordination et deux nouvelles contraintes. Les trois niveaux de coordination concernent la prise en compte simultanée des oscillations électromécaniques interzones et locaux, la coordination de la synthèse de régulateurs pour plusieurs alternateurs, et la coordination du réglage des paramètres (gains et constantes de temps) des régulateurs de tension (les boucles stabilisatrices PSS) avec le réglage des paramètres des régulateurs de turbine des alternateurs. Les contraintes sont liées à la stabilité et la robustesse des régulateurs proposés.

La diversité des maladies des patients de réanimation fait que l’environnement technologique de soins intensifs est composé de nombreux systèmes de monitorage de constantes physiologiques, permettant à l’équipe soignante de déterminer un traitement adapté au patient. De plus en plus de systèmes ont une fonction d’assistance à la prescription ou aux soins afin de réduire la charge de travail et mentale des infirmières exigées par certains traitements ou protocoles. Ces systèmes informatisés facilitent l’intégration du protocole et de l’information disponible dans les signaux et peuvent aboutir à des systèmes de complexité élevée. La question de l’évaluation de la qualité de la réalisation et de la balance bénéfice/risque pour les patients liée à l’usage de nouveaux systèmes d’assistance se pose alors. Un problème consiste à mener cette évaluation a priori dès la conception du protocole ou de l’algorithme. Ce travail de thèse donne un exemple de méthode pour un système d’assistance au contrôle de la glycémie des patients de réanimation : l’évaluation est menée depuis la conception de l’algorithme de contrôle jusqu’à une étude clinique de grande ampleur. L’origine du dispositif étudié vient de ce que les patients présentent souvent une hyperglycémie liée au stress à leur arrivée en réanimation (l’augmentation de l’insulino-résistance, l’administration de certaines de drogues ou la déficience en insuline inhibent la réponse physiologique à l’augmentation de la glycémie). Un problème vient alors de ce que, d’une part, l’hyperglycémie prolongée étant associée à une morbidité voire une mortalité accrue, contrôler la glycémie est bénéfique, et d’autre part réduire la glycémie fait courir le risque d’épisodes hypoglycémiques pendant le séjour en réanimation. Dans ce cas, optimiser la balance bénéfice/risque est encore un problème ouvert. Bien qu’il existe de nombreux travaux sur la modélisation de la pharmacodynamique du système glucose-insuline, peu de travaux exploitent ces modèles pour fournir un système de contrôle fonctionnel, testé et industrialisable. La thèse présente un système de contrôle glycémique ainsi qu’une méthode d’évaluation généralisable à d’autres systèmes, qui teste numériquement les performances techniques et cliniques de ce type de systèmes sur des patients virtuels. Les résultats d’une étude clinique réelle sont aussi présentés
The variety of ICU patients diseases implies that technological environment of critical care is composed of many vital signs monitoring systems, allowing the medical team to determine appropriate treatment to the patient. More and more systems have a decision-making support function to reduce the mental and physical workload of nurses required for certain treatments or protocols. These computerized systems facilitate the integration of the protocol and the information available in the signals and can lead to systems of high complexity. The issue of assessing the performances and the benefit/risk balance for the patient related to the use of new support systems arises. The problem is to conduct this evaluation a priori, during the design process of the protocol or algorithm. This work provides an example of a method to support the control of blood glucose in the ICU system evaluation is conducted for the design of the control algorithm to a large-scale clinical study.The origin of the studied device comes from the fact that patients often experience hyperglycemia due to stress upon their arrival in the ICU (increased insulin resistance, administration of interacting drugs or insulin deficiency inhibit the physiological response to the blood sugar increase). A problem then is that, on the one hand, as sustained hyperglycemia is associated with an increased morbidity or mortality, controlling glycaemia reduces risks, but, on the other hand, reducing blood sugar exposes to the risk of hypoglycemia during the ICU stay. In this case, optimizing benefit/risk ratio is still an open problem.Although there are many studies on modeling the pharmacodynamics of glucose-insulin system, few works use these models to provide a functional, tested and industrialized control system. The thesis presents a glycemic control system and a generalized method of evaluation with other systems, which tests digitally technical and clinical performances of such systems on virtual patients. The results of a real clinical trial are also presented

Devant l’augmentation de la part des énergies renouvelables en France, cette thèse propose d’étudier l’augmentation de la flexibilité des réacteurs à eau pressurisée en croisant deux disciplines pour, chacune, atteindre des objectifs complémentaires : l’Ingénierie Système (IS) et l’Automatique.Dans le contexte de l’ingénierie de systèmes complexes et du Model Based Systems Engineering, ce travail propose dans un premier temps une méthode de conception se fondant sur les principes normatifs de l’IS et respectant les habitudes et les pratiques courantes en ingénierie de Framatome. Cette méthode a pour vocation de formaliser et assurer le passage des exigences aux architectures et d’améliorer les capacités de vérification des modèles développés lors de la conception. Elle s’organise autour de langages de modélisation interopérables, couvrant l’ensemble des processus promus par l’IS. La méthode proposée est appliquée sur le système dont les performances sont les plus limitantes dans le contexte de l’augmentation de flexibilité : le Core Control. Ce composant algorithmique du réacteur assure le contrôle des paramètres de fonctionnement du cœur : la température moyenne, la distribution axiale de puissance et la position des groupes de grappes.La thèse propose ensuite des contributions techniques relevant du champ de l’Automatique. Il s’agit de concevoir un système de régulation répondant aux exigences issues de la formalisation IS évoquée ci-dessus. La solution proposée repose sur une stratégie de commande hiérarchisée, utilisant la complémentarité des approches dites de commande multi-objectif, de séquencement de gains et enfin de commande prédictive. Un modèle de réacteur nucléaire simplifié innovant est développé à des fins de conception du système de régulation et de simulations intermédiaires. Les résultats obtenus ont montré les capacités d’adaptation de la démarche proposée à des spécifications diverses. Les performances atteintes sont très encourageantes lorsque évaluées en simulation à partir d’un modèle réaliste et comparées à celles obtenues par les modes de pilotages classiques
In the event of increasing renewable energies in France, this thesis proposes to study the flexibility increase of pressurized water reactors (PWR) throughout two different engineering disciplines aiming at complementary objectives: Systems Engineering (SE) and Control theory.In a first phase, within the frame of complex systems design and Model Based Systems Engineering, this work proposes a SE method based on SE standard principles and compliant with Framatome’s practices and addressing the revealed issues. This SE contribution is twofold: formalize and ensure the path from requirements to system architectures and enhance the capabilities of models verification. The method revolves around interoperable modeling languages, covering the SE processes: from requirement engineering to system architecture design. The method is applied to the system, which performances are the most limiting in the context of flexibility increase: the Core Control. This algorithmic reactor component ensures the control of: the average coolant temperature, the axial offset and the rod bank position, three of the core main functioning parameters.In order to provide a technical contribution relying on some advanced control methodologies. It consists in designing a control system meeting the requirements defined by the SE method application. The proposed solution is in a two-layer control strategy using the synergies of multi-objective control, gain-scheduling and predictive control strategies. A simplified innovative nuclear reactor model is employed to conceive the control algorithm, simulate and verify the developed models. The results obtained from this original approach showed the ability to adapt to various specifications. Compared to conventional core control modes, the simulation results showed very promising performances, while meeting the requirements, when evaluated on a realistic reactor model

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Compacité qui vise à développer un compresseur électrique pour véhicules électriques à l’aide d’une démarche mécatronique. Dans cette thématique, le rôle du LGEP est de développer la partie électromécanique du compresseur. Cette thèse est constituée de deux parties, la première concerne la conception d’un moteur pour le compresseur et la deuxième a trait à la commande sans capteur mécanique de ce moteur. La première partie de la thèse est d'abord consacrée au dimensionnement d'une machine électrique pour un compresseur électrique. Le cahier des charges impose une machine compacte (97mm de diamètre et une profondeur inférieure à 50mm) et ayant une puissance massique élevée (6kW pour une masse de 1.8kg). Au préalable, un modèle analytique a été développé pour effectuer un dimensionnement rapide. Par la suite, la méthode des éléments finis a été appliquée à différents modèles physiques (magnétique, thermique, mécanique (résistance des matériaux et vibration)) pour une étude approfondie de la structure choisie. A l'issue de ces études, un prototype et un banc expérimental ont été réalisés. Dans un second temps, des algorithmes de commande avec ou sans capteur mécanique ont été étudiés pour le pilotage du moteur. La particularité de cette deuxième partie de thèse est la réalisation d'une commande peu gourmande en temps de calcul et implantable dans des microcontrôleurs de faibles performances. A l'issue de cette partie, une nouvelle loi de commande appelée commande passive échantillonnée ainsi qu'un observateur adaptatif étendu (observateur fondé sur l'estimation des fem) ont été développés et testés sur un banc expérimental
This thesis is part of the project Compacite which aims to develop an electric compressor for electrical vehicles using a mechatronic approach. In this way, the LGEP contribution is to develop the electromechanical part of the compressor.The document is divided in two parts: the first one is related to the design of the motor and the second part is dedicated to the sensorless control.In the first part, the electromagnetic design is proposed to comply with the industrial constraints according to the compressor operation. The specifications require a compact motor (external diameter equal to 97 mm and an active depth less than 50 mm) and a good power/mass ratio (6 kW for a weight of 1.8 kg). At first the design is based on an analytical model in order to obtain a fast sizing. Thereafter the finite element method is used for multiphysical studies (magnetic, thermal and mechanical (in terms of strength of materials and vibration)). A prototype is built and characterized on a test bench. In the second part, some algorithmic control laws have been developed with sensor and sensorless control. In this part a particular control law (sampled data passivity based control) with a low algorithmic cost has been developed for driven the motor and has been validated on the test bench. At the end an observer based on the estimation of the electromotive force is used for sensorless control and validated on the test bench