Observation and control of non-integer dynamic systems

Ce travail de thèse concerne la synthèse des observateurs et des lois de commande des systèmes d’ordre fractionnaire. Le document présenté est constitué de 4 chapitres : Le premier chapitre du manuscrit de thèse contient une introduction, traitant les notions mathématiques de base et de stabilités des systèmes d’ordre fractionnaire ainsi qu’une présentation des différentes définitions. Les conditions de stabilités de ces systèmes et quelques exemples de systèmes modélisés par des équations différentielles fractionnaires sont présentés. Dans le deuxième chapitre, nous nous sommes intéressés à la conception de plusieurs types d’observateurs dits d’ordre réduit, d’ordre plein et des observateurs fonctionnels pour les systèmes d’ordre fractionnaire avec et sans retards. Dans le cas où il n’y a pas de retards dans la dynamique du système, des observateurs d’ordres plein et réduit ont été synthétisé afin d’assurer l’estimation des pseudo-états. Dans un deuxième temps, un observateur fonctionnel a été synthétisé dans le cas où le retard est présent dans la dynamique du système. Dans le chapitre 3, nous avons travaillé sur la synthèse d’observateur pour les systèmes d’ordre fractionnaire incertains. Nos contributions sont classées en trois grandes lignes : premièrement, quand le système considéré est affecté par des entrées inconnues, un observateur fonctionnel a été proposé. En deuxième partie, des observateurs H∞ pour les systèmes d’ordre fractionnaire avec et sans retards ont été synthétisés afin d’assurer la stabilité de l’erreur d’observation. Il s’agit en fait de garantir une borne du gain L2 entre l’erreur d’observation et les perturbations non mesurables affectant la dynamique du système : ce gain L2 est aussi appelé norme H∞. Ce chapitre présente aussi la synthèse d’un observateur robuste vis-à-vis des incertitudes de modélisation pour cette classe de systèmes. Les conditions suffisantes de convergence des erreurs d’estimations des pseudo-états obtenues sont établies sous la forme d’un ensemble d’inégalités matricielles LMIs. Le dernier chapitre du manuscrit est consacré à la commande basée sur les différents observateurs obtenus. Nous nous sommes intéressés à la commande basée sur un observateur pour les systèmes d’ordre fractionnaire. Cette commande est basée sur les observateurs proposés dans les chapitres précédents. Des conditions de stabilité et des procédures de synthèse sont présentéesThis work focuses on the synthesis of observers and the controller laws for fractional order systems. The presented document consists of 4 chapters: The first chapter of the theses manuscript contains an introduction dealing with the basic mathematical notions and the stability analysis of fractional systems as well as a presentation of the different definitions. The stability conditions of these systems and some examples of systems modeled by fractional differential equations are presented. In the second chapter, we were interested in the design of several types of observers of reduced order, full order, and functional observers for fractional systems with and without delays. In the case where there are no delays in the dynamics of the system, observers of full and reduced orders have been synthesized in order to ensure the estimation of the pseudo-states. In a second step, a functional observer was synthesized in the case where the delay is present in the dynamics of the system. In Chapter 3, we worked on observer synthesis for uncertain fractional order systems. Our contributions are classified into three main lines: first, when the system under consideration is affected by unknown inputs, a functional observer has been proposed. In the second part, H∞ observers for fractional order systems with and without delays have been synthesized to ensure the stability of the estimation error. It is a question of guaranteeing a bound of the L2 gain between the observation error and the non-measurable perturbations affecting the dynamics of the system: this gain L2 is also called H∞ norm. In last part of this chapter, the synthesis of a robust observer with respect to modeling uncertainties for this class of systems is presented. The sufficient conditions of convergence of the estimation errors of the pseudo-states obtained are established in the form of a set of matrix inequalities LMIs. The last chapter of the manuscript is devoted to the command based on the different observers obtained. We were interested in observer-based control for fractional order systems. This command is based on the observers proposed in the previous chapters. Stability conditions and synthesis procedures are presente

Observation et commande des systèmes dynamiques d’ordre non entier

This work focuses on the synthesis of observers and the controller laws for fractional order systems. The presented document consists of 4 chapters: The first chapter of the theses manuscript contains an introduction dealing with the basic mathematical notions and the stability analysis of fractional systems as well as a presentation of the different definitions. The stability conditions of these systems and some examples of systems modeled by fractional differential equations are presented. In the second chapter, we were interested in the design of several types of observers of reduced order, full order, and functional observers for fractional systems with and without delays. In the case where there are no delays in the dynamics of the system, observers of full and reduced orders have been synthesized in order to ensure the estimation of the pseudo-states. In a second step, a functional observer was synthesized in the case where the delay is present in the dynamics of the system. In Chapter 3, we worked on observer synthesis for uncertain fractional order systems. Our contributions are classified into three main lines: first, when the system under consideration is affected by unknown inputs, a functional observer has been proposed. In the second part, H∞ observers for fractional order systems with and without delays have been synthesized to ensure the stability of the estimation error. It is a question of guaranteeing a bound of the L2 gain between the observation error and the non-measurable perturbations affecting the dynamics of the system: this gain L2 is also called H∞ norm. In last part of this chapter, the synthesis of a robust observer with respect to modeling uncertainties for this class of systems is presented. The sufficient conditions of convergence of the estimation errors of the pseudo-states obtained are established in the form of a set of matrix inequalities LMIs. The last chapter of the manuscript is devoted to the command based on the different observers obtained. We were interested in observer-based control for fractional order systems. This command is based on the observers proposed in the previous chapters. Stability conditions and synthesis procedures are presentedCe travail de thèse concerne la synthèse des observateurs et des lois de commande des systèmes d’ordre fractionnaire. Le document présenté est constitué de 4 chapitres : Le premier chapitre du manuscrit de thèse contient une introduction, traitant les notions mathématiques de base et de stabilités des systèmes d’ordre fractionnaire ainsi qu’une présentation des différentes définitions. Les conditions de stabilités de ces systèmes et quelques exemples de systèmes modélisés par des équations différentielles fractionnaires sont présentés. Dans le deuxième chapitre, nous nous sommes intéressés à la conception de plusieurs types d’observateurs dits d’ordre réduit, d’ordre plein et des observateurs fonctionnels pour les systèmes d’ordre fractionnaire avec et sans retards. Dans le cas où il n’y a pas de retards dans la dynamique du système, des observateurs d’ordres plein et réduit ont été synthétisé afin d’assurer l’estimation des pseudo-états. Dans un deuxième temps, un observateur fonctionnel a été synthétisé dans le cas où le retard est présent dans la dynamique du système. Dans le chapitre 3, nous avons travaillé sur la synthèse d’observateur pour les systèmes d’ordre fractionnaire incertains. Nos contributions sont classées en trois grandes lignes : premièrement, quand le système considéré est affecté par des entrées inconnues, un observateur fonctionnel a été proposé. En deuxième partie, des observateurs H∞ pour les systèmes d’ordre fractionnaire avec et sans retards ont été synthétisés afin d’assurer la stabilité de l’erreur d’observation. Il s’agit en fait de garantir une borne du gain L2 entre l’erreur d’observation et les perturbations non mesurables affectant la dynamique du système : ce gain L2 est aussi appelé norme H∞. Ce chapitre présente aussi la synthèse d’un observateur robuste vis-à-vis des incertitudes de modélisation pour cette classe de systèmes. Les conditions suffisantes de convergence des erreurs d’estimations des pseudo-états obtenues sont établies sous la forme d’un ensemble d’inégalités matricielles LMIs. Le dernier chapitre du manuscrit est consacré à la commande basée sur les différents observateurs obtenus. Nous nous sommes intéressés à la commande basée sur un observateur pour les systèmes d’ordre fractionnaire. Cette commande est basée sur les observateurs proposés dans les chapitres précédents. Des conditions de stabilité et des procédures de synthèse sont présentée

Observer-Based Tracking design using H∞ criteria: Application to eco-driving in a tramway system

International audienceThis paper investigates an H∞ Observer-Based Controller design for tracking a tramway system eco-driving trajectory. The model of the tramway system is given in state space form, and the poor manoeuvres of the of the driver when following a reference trajectory are modeled as disturbances with finite energy that affect the system dynamics. To minimize the impact of poor driver manoeuvres, an H∞ Observer-Based Tracking Controller (H∞-OBTC) was designed and its conditions of existence are given. In addition, to ensure the robust convergence of the estimation and the tracking errors simultaneously, a new sufficient condition was obtained based on the Bounded Real Lemma. Two algorithms are presented to solve the robust stability condition obtained. The first one is based on a two-step procedure. Then a linearization approach was used to present the robust stability condition of the errors as a convex optimization problem with a Linear Matrix Inequality (LMI) constraint.The gain matrices of the H∞-OBTC can be computed by solving the LMI given, subject to a minimization constraint

Robust tracking control for a quadrotor subjected to disturbances using new hyperplane-based fast Terminal Sliding Mode.

This paper presents a finite-time approach for tracking control of a quadrotor system subjected to external disturbances and model uncertainties. The proposed approach offers a preassigned performance guarantee. Firstly, integral terminal sliding manifolds and nonsingular terminal sliding manifolds are considered to produce the new hyperplane sliding variables for both position and attitude of a quadrotor. The designed hyperplane sliding variables guaranteed a finite-time convergence. The objective is to develop a finite-time control scheme for a disturbed quadrotor to follow a predefined trajectory based on a nonlinear sliding mode controller. The main contribution of this paper is to design a hyperplane-based nonlinear sliding mode control strategy for a quadrotor subjected to disturbances. A concept of robust controllers for a quadrotor is presented based on Lyapunov theory, which proves finite-time stability of the proposed control technique. Numerical simulations with two different scenarios verify the accuracy of the proposed hyperplane-based sliding mode control approach. The simulations study also included a comparison with another nonlinear controller. Results demonstrated overperformance of the proposed control strategy

Nonlinear observer design for systems with sampled measurements : An LPV approach

International audienceThe aim of this work is to propose a design methodology of observers for a class of Lipschitz nonlinear dynamical systems with sampled measurements by using the differential mean value theorem (DMVT) which allows us to transform the nonlinear part of the estimation error dynamics into a linear parameter varying (LPV) system. The designed observer must ensure the stability of the estimation error subject to a sampled measurements. An LMI-based minimization problem is provided to ensure the stability and the existence of the observer using Lyapunov theory. Thus, the measurements sampling period is included in the LMI as a decision parameter. Indeed, this allows to widen the sampling period as much as possible, which helps optimization of energy consumption while guaranteeing the convergence of the observer. Finally, to illustrate the performance of the proposed methodology, a numerical example is presented

Robust functional observer design for uncertain fractional-order time-varying delay systems

International audienceIn this work, existence and design of Robust Functional Observer (RFO) for Uncertain Fractional-Order Systems with Time-Varying-Delay (UFOS-TVD) are addressed. Usually, when the considered system is under the effect of structured uncertainties, this kind of problems, referred as L2-gain rejection, aims at designing a RFO minimizing a given cost function subject to L2-gain rejection constraint, which means, the rejection of the uncertain states effect on the estimated errors. An LMI-based minimization problem for the robust stability is derived based on the indirect Lyapunov and Lyapunov-Krasovskii approaches. Finally, a simulation results are presented to illustrate the performance of the proposed methodology

H∞H_\infty filters design for fractional-order time-varying-delay systems

International audienceIn this work, the H-infinity filtering problem for fractional-order time-varying-delay systems is investigated. In the absence of disturbances, the observer state should asymptotically converge to the actual state. On the other case, when the system is subject to disturbances, the H-infinity observer designed must minimize the effect of disturbances on the estimation error. On the basis of the indirect Lyapunov approach, the stability condition is given in Linear Matrix Inequality (LMI) formulation. Finally, a numerical example is presented to illustrate the performances of the proposed observer