Modélisation, observation et commande


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Cette thèse concerne la commande des systèmes dont la dynamique peut être convenablement décrite par une approche multimodèle à partir d'un étude d'affinement des performances d'un système de commande adaptative avec modèle de référence. Trois approches de commande multimodèle ont été proposées. La première approche est basée sur la commande avec modèle de référence sur la sortie. Une validation expérimentale réussie a été effectuée sur un réacteur chimique. La seconde approche est basée sur la commande prédictive avec modèle de référence sur l'état partiel. Des résultats de simulation, obtenus à partir d'un modèle physique d'un bioréacteur, ont montré que les performances du système de commande multimodèle sont semblables à celles obtenues par un système de commande non linéaire appropriée du type backstepping. La troisième approche est consacrée à la compensation des perturbations harmoniques dans le cas où la dynamique du système peut être raisonnablement décrite par un une famille de modèles linéaires invariants. La quatrième approche est basée sur une commande predictive multimodèle avec modèle de référence sur l'état partiel issue d'une synthèse LMI.







Modélisation commande et observation des systèmes mécaniques hamiltoniens


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Les systèmes mécaniques constituent une part importante des applications de l'automatique. De plus, leur intérêt a connu un développement considérable depuis l'avènement de la robotique. Les modèles mathématiques de ces systèmes sont des équations différentielles tirées des équations d'Euler-Lagrange ou de Hamilton-Jacobi. Ceux-ci ont la propriété d'être affine en le vecteur de commande, celui-ci étant constitué des forces ou couples extérieurs appliqués au procédé. De tels systèmes ont déjà été largement étudiés à l'aide des outils géométriques de la géométrie différentielle. Notre travail présente, dans sa première partie, les techniques de modélisation et propriétés des systèmes mécaniques, en les appliquant à un exemple concret. On rappelle ensuite les critères d'observabilité et de commandabilité avec leurs spécificités dans le cas des systèmes mécaniques. Différentes lois de commande sont alors étudiées et comparées à l'aide de simulations numériques. Enfin, on étudie plusieurs types d'observateurs pour systèmes mécaniques, dans le but d'obtenir une estimation des vitesses, car leur connaissance est impérative pour construire une commande par retour d'états.




Sur la modélisation et la commande multimodèle des processus complexes et/ou incertains


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Ce mémoire porte sur la modélisation et la commande multimodèle des systèmes complexes incertains. L'approche envisagée s'appuie sur le principe de génération de bases de modèles pouvant être locaux ou génériques déterminés suivant des procédures exploitant l'approche algébrique de Kharitonov. Le nombre de modèles génériques est limité à quatre ou cinq. L'évaluation de la pertinence des modèles est assurée au moyen de validités calculées en ligne en se référant aux réponses du processus. De telles validités sont utilisées pour générer la commande multimodèle selon une stratégie par fusion. Deux méthodes de fusion sont alors proposées; une fusion au niveau des commandes élémentaires et une autre au niveau des paramètres de commande. Une stratégie de synthèse d'un observateur multimodèle a été également formulée en s'inspirant de la structure de commande multimodèle étudiée. Les validités utilisées étant exprimées en fonction de résidus, de nouvelles formulations des résidus ont été proposées en vue d'améliorer les performances des lois de commande et d'observation d'état développées. Une étude concernant la stabilité et la stabilisation des systèmes mutimodèles a été menée avec ou sans observateur d'état. Dans ce cadre, un ensemble de critères de stabilité et de stabilisabilité a été proposé. Ces critères se présentent sous la forme de contraintes LMI dépendant des paramètres de commande et d'observation. Leur résolution conduit à la détermination des gains de retour d'état et des gains d'observation recherchés. L'étude de la stabilisation et de l'observation d'état multimodèles de deux processus physiques a permis de confirmer l'intérêt pratique des approches proposées.




Modeling of Turbomachines for Control and Diagnostic Applications


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This book presents new studies in the area of turbomachine mathematical modeling with a focus on models applied to developing engine control and diagnostic systems. The book contains one introductory and four main chapters. The introductory chapter describes the area of modeling of gas and wind turbines and shows the demand for further improvement of the models. The first three main chapters offer particular improvements in gas turbine modeling. First, a novel methodology for the modeling of engine starting is presented. Second, a thorough theoretical comparative analysis is performed for the models of engine internal gas capacities, and practical recommendations are given on model applications, in particular for engine control purposes. Third, multiple algorithms for calculating important unmeasured parameters for engine diagnostics are proposed and compared. It is proven that the best algorithms allow accurate prognosis of engine remaining lifetime.The field of wind turbine modeling is presented in the last main chapter. It introduces a general-purpose model that describes both aerodynamic and electric parts of a wind power plant. Such a detailed physics-based model will help with the development of more accurate control and diagnostic systems.In this way, this book includes four new studies in the area of gas and wind turbine modeling. These studies will be interesting and useful for specialists in turbine engine control and diagnostics.




Observer Design for Nonlinear Systems


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Observer Design for Nonlinear Systems deals with the design of observers for the large class of nonlinear continuous-time models. It contains a unified overview of a broad range of general designs, including the most recent results and their proofs, such as the homogeneous and nonlinear Luenberger design techniques. The book starts from the observation that most observer designs consist in looking for a reversible change of coordinates transforming the expression of the system dynamics into some specific structures, called normal forms, for which an observer is known. Therefore, the problem of observer design is broken down into three sub-problems: • What are the available normal forms and their associated observers?• Under which conditions can a system be transformed into one of these forms and through which transformation? • How can an inverse transformation that recovers an estimate in the given initial coordinates be achieved? This organisation allows the book to structure results within a united framework, highlighting the importance of the choice of the observer coordinates for nonlinear systems. In particular, the first part covers state-affine forms with their Luenberger or Kalman designs, and triangular forms with their homogeneous high-gain designs. The second part addresses the transformation into linear forms through linearization by output injection or in the context of a nonlinear Luenberger design, and into triangular forms under the well-known uniform and differential observability assumptions. Finally, the third part presents some recently developed methods for avoiding the numerically challenging inversion of the transformation. Observer Design for Nonlinear Systems addresses students and researchers looking for an introduction to or an overview of the state of the art in observer design for nonlinear continuous-time dynamical systems. The book gathers the most important results focusing on a large and diffuse literature on general observer designs with global convergence, and is a valuable source of information for academics and practitioners.




Observation et commande par systèmes à fonctionnement par morceaux


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Ce livre concerne l' tude et le d veloppement de m thodes de mod lisation, d'estimation et de commande pour les syst mes complexes. Le chapitre 1 est consacr au concept et la classification des syst mes hybrides. Les caract ristiques des Syst mes Fonctionnement par Morceaux (SFM) se situent dans ce contexte. Le chapitre 2 traite des contr leurs de poursuite et de la lin arisation. Les chapitres 3 et 4, quant eux, visent r aliser la poursuite d'une trajectoire partir d'un retour issu d'un capteur num rique d livrant une information sous forme retard e et chantillonn e. Dans le chapitre 3, un observateur continu par morceaux bas sur les SFM et sur l'observateur de Luenberger est d velopp . Le chapitre 4 pr sente une commande de stabilisation des syst mes m catroniques sous actionn s d phasage non minimal utilisant deux boucles de retour. Par rapport aux autres m thodes, les m thodes pr sent es ont l'avantage d'assurer la stabilit sans utiliser un mod le lin aris . Dans ce livre, chaque m thode propos e est fournie avec des exemples de simulation et d'implantation temps r el avec la technologie dSpace.




Contribution à la modélisation, à la commande et à l'observation de systèmes à entrées inconnues dans le cadre des systèmes volants autonomes


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Réaliser les mêmes missions mais en retirant les commandes à l'homme, voici le défit de la robotique aérienne d'aujourd'hui. Les technologies actuelles permettent depuis peu de construire des drones de petite ou grande taille de type avion, hélicoptère ou novateur. Véritables concentrés d'électronique, ces appareils doivent être contrôlés par des lois de commande de plus en plus sophistiquées s'appuyant sur de nombreux capteurs de navigation pour répondre aux besoins de la mission (surveillance de forêt, d'axe routier, de zones à risque, prises d'informations dans des milieux inaccessibles à l'homme, etc). Aujourd'hui, les principales limitations rencontrées sont d'une part la complexité du problème de navigation nécessitant la perception d'un environnement souvent contraint (peu de disponibilité du GPS en milieu urbain) et évolutif, d'autre part la difficulté de maîtriser l'appareil en présence de turbulences atmosphériques (notamment en mileu urbain). Ce dernier point, commun à toutes les architectures de drones, a motivé le sujet de cette thèse dont la contribution porte principalement sur la synthèse de lois de commande robustes et l'analyse de leur stabilité. Les travaux présentés ici sont principalement basés sur une modélisation générique des robots aériens servant alors de référence pour l'élaboration de lois de commande et d'observateurs non linéaires pour système à entrées inconnues. Ces derniers permettent de reconstruire en ligne les perturbations agissant sur le drone par rapport à la modélisation nominale. Ces perturbations estimées sont ensuite injectées dans la loi de commande afin d'améliorer les performances de précision et de robustesse du drone en boucle fermée.




Induction Motors - Recent Advances, New Perspectives and Applications


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The induction motor is one of the most significant innovations in contemporary history and it officially kicked off the Second Industrial Revolution by significantly enhancing energy generation efficiency. Induction motors are utilized in a wide variety of applications in the modern industrial world. Motivated by the importance of recent advances, new perspectives, and applications of induction motors, this book presents research from distinguished experts in the field. It addresses recent advances in induction motors, optimal solutions in field-oriented control, the association of converters to induction motors, dynamic analysis, optimized design of synergetic control, fault-tolerant control, mathematical modeling, an adaptive system scheme for a sensorless drive, modeling, and simulation of a system with inter-turn faults, sensorless speed observer for industrial drives, and induction motor applications in electric vehicles. This book is useful for undergraduates, graduate students, researchers, professors, and field engineers due to its combination of both theoretical coverage and real-world application concepts.




Observation et commande de quelques systèmes à paramètres distribués


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L'objectif principal de cette thèse consiste à étudier plusieurs thématiques : l'étude de l'observation et la commande d'un système de structure flexible et l'étude de la stabilité asymptotique d'un système d'échangeurs thermiques. Ce travail s'inscrit dans le domaine du contrôle des systèmes décrits par des équations aux dérivées partielles (EDP). On s'intéresse au système du corps-poutre en rotation dont la dynamique est physiquement non mesurable. On présente un observateur du type Luenberger de dimension infinie exponentiellement convergent afin d'estimer les variables d'état. L'observateur est valable pour une vitesse angulaire en temps variant autour d'une constante. La vitesse de convergence de l'observateur peut être accélérée en tenant compte d'une seconde étape de conception. La contribution principale de ce travail consiste à construire un simulateur fiable basé sur la méthode des éléments finis. Une étude numérique est effectuée pour le système avec la vitesse angulaire constante ou variante en fonction du temps. L'influence du choix de gain est examinée sur la vitesse de convergence de l'observateur. La robustesse de l'observateur est testée face à la mesure corrompue par du bruit. En mettant en cascade notre observateur et une loi de commande stabilisante par retour d'état, on souhaite obtenir une stabilisation globale du système. Des résultats numériques pertinents permettent de conjecturer la stabilité asymptotique du système en boucle fermée. Dans la seconde partie, l'étude est effectuée sur la stabilité exponentielle des systèmes d'échangeurs thermiques avec diffusion et sans diffusion. On établit la stabilité exponentielle du modèle avec diffusion dans un espace de Banach. Le taux de décroissance optimal du système est calculé pour le modèle avec diffusion. On prouve la stabilité exponentielle dans l'espace Lp pour le modèle sans diffusion. Le taux de décroissance n'est pas encore explicité dans ce dernier cas.