Développement d'outils de calcul et de logiciels pour la réalisation et l'implantation de stratégies de commande non linéaires échantillonnées

Abstract

This thesis is concerned with the sampled-data control of non-linear continuous-time systems. Sampled-data systems are present in all computer controlled, hybrid or embedded systems. The design and computation of suitable digital controllers represent unavoidable tasks since both continuous and discrete-time components interact. The basic framework of this work takes part of a wide research activity performed by S. Monaco and D. Normand-Cyrot regarding non-linear sampled-data systems. The underlying idea is to design digital controllers that recover certain continuous-time properties that are usually degraded through sampling as it is the case when continuous-time controllers are implemented by means of zero-order holder devices (emulated control). This thesis brings contributions into three different directions. The first one regards theoretical developments: a new digital backstepping-like strategy design for strict-feedback systems is proposed. This method is compared with other strategies proposed in the literature. The second contribution is the development of a control designer and of a simulation toolbox (in Matlab) for non-linear sampled-data systems. This toolbox includes different digital design strategies such as: multi-rate control, input-output/Lyapunov matching, digital backstepping design, etc. The third contribution concerns several case studies conducted to highlight the performances of the sampled-data controller designs, computed by the means of the software toolbox. Experimental and simulation results are described for various real examples especially in the area of electrical and mechanical processes.Cette thèse concerne la conception de commandes échantillonnées pour les systèmes non-linéaires en temps continu. Les systèmes échantillonnés sont des éléments inhérents aux systèmes contrôlés par ordinateur, les systèmes hybrides ou les systèmes embarqués. La conception et le calcul des contrôleurs numériques appropriés sont des taches difficiles car ils contiennent des composants à la fois continu et en temps discret. Ce travail s'inscrit dans une activité de recherche menée par S. Monaco et D. Normand-Cyrot dans le domaine des systèmes échantillonnés non-linéaires. L'idée de base est de concevoir des contrôleurs digitaux qui permettent de récupérer certaines propriétés en temps continu qui sont généralement dégradées par l'échantillonnage. Tel est le cas de l'émulation lorsque les contrôleurs en temps continu sont mis en ouvre en utilisant des bloqueurs d'ordre zéro. Cette thèse apporte des contributions dans trois directions complémentaires. La première concerne les développements théoriques: une nouvelle conception de type ``backstepping digital" est proposée pour les systèmes en forme ``strict-feedback". Cette méthode est comparée à d'autres stratégies proposées dans la littérature. La deuxième contribution est le développement d'un logiciel pour la synthèse des contrôleurs et d'une ``boîte à outils" pour simuler (en Matlab) les systèmes échantillonnés non-linéaires et leurs contrôleurs. Cette boîte à outils inclut plusieurs algorithmes pour la synthèse de contrôleurs échantillonnés tels que: commande de type multi-échelle, reproduction entrée-sortie/Lyapunov, backstepping digital, etc. La troisième contribution concerne plusieurs études de cas menées pour mettre en évidence les performances des contrôleurs échantillonnés, calculés avec l'aide du logiciel. Des résultats expérimentaux et des simulations sont décrits pour divers exemples réels dans les domaines électriques et mécaniques.Teza de față se concentrează asupra studiului controlului eșantionat pentru sisteme neliniare în timp continuu. Sistemele eșantionate sunt componente indispensabile oricăror sisteme de control bazate pe dispozitive de calcul, sisteme hibride sau sisteme embedded. Sinteza și calculul comenzilor digitale, potrivite pentru astfel de sisteme, devine o sarcină dificilă o dată ce presupune existența de dinamici în timp discret respectiv în timp continuu.Cadrul de bază al acestei lucrări se regăsește în activitatea de cercetare realizată de Salvatore Monaco și Dorothée Normand-Cyrot în domeniul sistemelor eșantionate neliniare. Ideea care stă la bază este de a sintetiza comenzile digitale urmărind menținerea unor proprietăți impuse în timp continuu sub eșantionare. Aceste proprietăți sunt în general degradate sub eșantionare cum este cazul comenzilor emulate, când comenzile continue sunt implementate practic cu ajutorul extrapolatoarelor de ordin 0.Această teză își aduce aportul în 3 direcții complementare. Prima adresează dezvoltările teoretice unde o nouă sinteză de tip backstepping digital este propusă pentru sisteme în formă . Această metodă, dezvoltată în două versiuni, este comparată cu alte strategii similare propuse în literatură. A doua contribuție a tezei este legată de dezvoltarea unui toolbox software pentru sinteza de controllere digitale pentru sisteme nelinare sub eșantionare. Acest toolbox include strategii diferite pentru sinteza eșantionată precum: comandă de tip multi-rate, reproducere intrare-ieșire/Lyapunov, backstepping digital și alte soluții care sunt obiectul unor noi extensii. A treia contribuție este dată de studiile de caz dezvoltate pentru a scoate în evidență performanțele comenzilor eșantionate testate și calculate cu ajutorul aplicației software. Rezultatele experimentale și de simulare sunt obținute pentru diverse exemple reale din domeniul electric și mecanic