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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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59documents trouvés

18078
26/01/2018

Modeling and control of a wing at low Reynolds number with high amplitude aeroelastic oscillations

F.NIEL

MAC

Doctorat : ISAE de Toulouse, 26 Janvier 2018, 176p., Président: I.QEUINNEC, Rapporteurs: M.LOVERA, M.JUNGER, Examinateurs: G.VALMORBIDA, C.POUSSOT-VASSAL, Directeurs de thèse: L.ZACCARIAN, A.SEURET , N° 18078

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01763500

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Résumé

A fort angles d'attaque ou à faible nombre de Reynolds, l'écoulement sur les ailes d'avion ou les pales d'hélicoptères ou d'éoliennes peut se séparer, ce qui peut éventuellement mener à des couplages aéroélastiques tels que le phénomène de flottement (flutter). Ces instabilités peuvent être particulièrement limitantes pour de nombreuses applications, voire destructrices. L'objectif de cette thèse est de s'intéresser à la modélisation et au contrôle d'une aile oscillant dans des conditions de flutter ainsi que de fournir une approche générale pour aborder ce problème. Tout d'abord, un modèle aéroélastique est développé en s'appuyant sur de précédents travaux. Le modèle est une extension de celui proposé par Goman-Khrabrov, et modifié par Williams, par l'utilisation du modèle ONERA BH. Si la première composante de ce modèle permet de rendre compte du phénomène d'hystérésis des charges aérodynamiques d'une aile en oscillation, la seconde permet d'inclure le détachement des tourbillons ainsi que le phénomène de décrochage dynamique qui peut être observé. Cette seconde composante est particuli èrement délicate à prédire alors qu'elle joue un rôle important dans la dynamique de l'aile. Le modèle aérodynamique est alors entraîné et comparé avec succès aux résultats expérimentaux obtenus pour une aile rigide de type NACA 0018 oscillant autour de son axe de tangage. Ce modèle, comme de nombreux modèles aéroélastiques ou aérodynamiques, souffre d'une complexité inhérente et de non-linéarités qui rendent son analyse et son contrôle particulièrement compliqués du point de vue de l'automatique. Pour cette raison, l'ensemble d'équations a été modiffié afin d'inclure les non-linéarités dans une formulation polytopique dont les paramètres sont incertains. Des stratégies dédiées aux systèmes à temps invariant sont alors étendues aux systèmes polytopiques. De plus, les saturations en vitesse ou en position qui sont un problème majeur et récurent de la dynamique du vol, sont considérées comme une contrainte supplémentaire dans la boucle d'asservissement. S'appuyant sur la théorie de la commande linéaire quadratique, plusieurs théorèmes sont alors développés en utilisant une formulation à partir des inégalités des matrices linéaires, afin de permettre non seulement de synthétiser un correcteur stabilisant mais aussi de définir une région d'attraction. Les théorèmes sont alors appliqués avec succès au cas du ottement de décrochage (stall utter), stabilisant le système en boucle fermée en présence de saturations en position et en vitesse, ce qui montre le potentiel des contributions développées dans ce travail de thèse.

Abstract

At high angles of attack or low Reynolds number, aircraft wings or blades of helicopters or even wind turbines may encounter separation of the ow which can eventually lead to aeroelastic couplings such as utter. These instabilities can be particularly destructive and are limiting for numerous applications. This thesis aims at considering the aeroelastic modeling and control of a pitching wing in utter conditions and at providing a general approach to tackle this problem. First, an aeroelastic model is developed based on previous works. This model provides an extension of the model proposed by Goman-Khrabrov, and modi ed by Williams, using the ONERA BH model. If the rst component of the model captures the hysteresis of the aerodynamic load of a pitching wing, the second one allows us to capture the vortex shedding and dynamic stall model which can be observed. This second component is particularly challenging to predict, while it plays an important role in the dynamics of the wing. The aerodynamic model is then trained and successfully compared to experimental data for a NACA 0018 rigid wing undergoing pitch oscillations at low Reynolds number. This model, like many aeroelastic or aerodynamic models, su ers from its inherent complexity and nonlinearities which make its analysis and control highly complicated with respect to the automatic control point of view. For this reason, the set of equations is conveniently manipulated to encapsulate the nonlinearities in a polytopic formulation with unknown parameters. Then, control strategies dedicated to linear time invariant systems are derived to account for this polytopic formulation. In addition, rate and magnitudes saturations are a major and recurrent issue in ight control and are also considered as an additional constraint in the control loop. Based on linear quadratic regulation theory, several theorems are developed using framework of linear matrix inequalities and allow not only to synthesize a stabilizing controller but also to de ne the region of attraction. The theorems are then applied to solve the problem of stall utter and successfully stabilize the closed-loop system in presence of rate and magnitude saturations, which demonstrate the potential of the contributions developed within this PhD approach.

Mots-Clés / Keywords
Flow control; Stability and control for non-linear systems; Aeroelasticity; Saturation; LQR control; LMI; Contrôle des écoulements; Stabilité et contrôle de systèmes non-linéaires; Aéroélasticité; Contrôle LQR;

143034
18006
25/01/2018

Stratégies de maintien à poste pour un satellite géostationnaire à propulsion tout électrique

C.GAZZINO

MAC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Janvier 2018, 342p., Président: D.ALAZARD, Rapporteurs: H.ZIDANI, J.B.CAILLAU, Examinateurs: P.MARTINON, M.LOVERA, Directeurs de thèse: D.ARZELIER, C.LOUEMBET , N° 18006

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01705222

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Abstract

Geostationary spacecraft have to stay above a fixed point of the Earth, on a so-called geostationary Earth orbit. For this orbit, the orbital period of the spacecraft is equal to the rotation period of the Earth. Because of orbital disturbances, spacecraft drift away their station keeping position. It is therefore mandatory to create control strategies in order to make the spacecraft stay in the vicinity of the station keeping position. Due to their high thrust capabilities, chemical thrusters have been widely used. However nowadays electric propulsion based thrusters with their high specific impulse are viable alternative in order to decrease the spacecraft mass or increase its longevity. The use of such a system induce the necessity to handle operational constraints because of the limited on-board power. These operational constraints are difficult to take into account in the mathematical transcription of the station keeping problem in an optimal control problem with control and state constraints. This thesis proposed two techniques in order to solve this optimal control problem. The first one is based on the computation of first order necessary conditions and consists in decomposing the overall problem in three sub-problems, leading to a three-step decomposition method. The first step solves an optimal control problem without the operational constraints. The second steps enforces these operational constraints thanks to dedicated equivalence schemes and the third one optimises the switching times of the control profile thanks to a method borrowed from the switched systems theory. The second proposed method consists in parametrising the on-off control profile with binary functions. After a time discretisation of the station keeping horizons, the operational constraints are easily recast as linear constraints on integer variables, the dynamics is numerically integrated and the station keeping problem is recast as a mixed integer linear programming problem. After the resolution of the problem over a short time horizon of one week, the station keeping problem is solved over a long time horizon of one year. To this end, the long time horizon is split in shorter horizons over which the problem is successively solved. End-of-cycle constraints have been set up in order to ensure the feasibility of the solution one short horizon after another.

Résumé

Pour mener à bien leur mission, les satellites de télécommunications doivent rester à la verticale d’un même point de la Terre, sur une orbite dite géostationnaire, pour laquelle la période de révolution des satellites sur leur orbite est identique à la période de rotation de la Terre sur elle-même. Cependant, à cause des perturbations orbitales, les satellites tendent à s’en éloigner, et il est alors nécessaire de concevoir des stratégies de commande pour les maintenir dans un voisinage de cette position de référence. Du fait de leur grande valeur de poussée, les systèmes à propulsion chimique ont largement été utilisés, mais aujourd’hui les systèmes à propulsion électrique avec leur grande impulsion spécifique sont des alternatives viables pour réduire la masse d’ergols du satellite, et ainsi le coût au lancement, ou allonger la durée de vie du satellite, ce qui permettrait de limiter l’encombrement dans l’espace. Cependant, l’utilisation d’un tel système propulsif induit des contraintes opérationnelles issues en partie du caractère limité de la puissance électrique disponible à bord. Ces contraintes sont difficiles à prendre en compte dans la transcription du problème de maintien à poste en un problème de contrôle optimal à consommation minimale avec contraintes sur l’état et le contrôle. Ce manuscrit propose deux approches pour résoudre ce problème de commande optimale. La première, basée sur le développement et l’exploitation de conditions nécessaires d’optimalité, consiste à découper le problème initial en trois sous-problèmes pour former une méthode de résolution à trois étapes. La première étape permet de résoudre un problème de maintien à poste expurgé des contraintes opérationnelles, tandis que la deuxième, initialisée par le résultat de la première, produit une solution assurant le respect de ces dernières contraintes. La troisième étape permet d’optimiser la valeur des instants d’allumage et d’extinction des propulseurs dans le cadre du formalisme des systèmes à commutation. La seconde approche, dite « directe », consiste à paramétrer le profil de commande par une fonction binaire et à le discrétiser sur l’horizon temporel de résolution. Les contraintes opérationnelles sont ainsi facilement transcrites en contraintes linéaires en nombres entiers. Après l’intégration numérique de la dynamique, le problème de contrôle optimal se résume à un problème linéaire en nombres entiers. Après la résolution du problème de maintien à poste sur un horizon court d’une semaine, le problème est résolu sur un horizon long d’un an par résolutions successives sur des horizons courts d’une durée de l’ordre de la semaine. Des contraintes de fin d’horizon court doivent alors être ajoutées afin d’assurer la faisabilité de l’enchaînement des problèmes sur l’horizon court constituant le problème sur l’horizon long.

Mots-Clés / Keywords
Maintien à poste; Satellite GEO; Poussée faible; Contrôle optimal; Station keeping; GEO spacecraft; Low thrust; Optimal control;

142175
17473
19/12/2017

Contributions to the stability analysis and control of Networked Systems

A.SEURET

MAC

Habilitation à diriger des recherches : 19 Décembre 2017, 143p., Président: J.P.RAYMOND, Rapporteurs: J.M.CORON, C.SCHERER, S.HIRCHE, Examinateurs: J.DAAFOUZ, S.I.NICULESCU, C.PRIEUR, J.P.RICHARD, Encadrant: S.TARBOURIECH , N° 17473

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141937
17434
04/12/2017

Inventory routing problems with explicit energy consideration

Y.HE

ROC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 4 Décembre 2017, 188p., Président: , Rapporteurs: M.G.SPERANZA, F.SEMET, Examinateurs: N.ABSI, D.QUADRI, Directeurs de thèse: N.JOZEFOWIEZ, C.BRIAND , N° 17434

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01675497

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Résumé

Dans le problème de tournées avec gestion de stock ou “Inventory Routing Problem” (IRP), le fournisseur a pour mission de surveiller les niveaux de stock d’un ensemble de clients et gérer leur approvisionnement en prenant simultanément en compte les coûts de transport et de stockage. Etant données les nouvelles exigences de développement durable et de transport écologique, nous étudions l’IRP sous une perspective énergétique, peu de travaux s’étant intéressés à cet aspect. Plus précisément, la thèse identifie les facteurs principaux influençant la consommation d’énergie et évalue les gains potentiels qu’une meilleure planification des approvisionnements permet de réaliser. Un problème relatif à l’approvisionnement en composants de chaînes d’assemblage d’automobiles est tout d’abord considéré pour lequel la masse transportée, la dynamique du véhicule et la distance parcourue sont identifiés comme les principaux facteurs impactant la consommation énergétique. Ce résultat est étendu à l’IRP classique et les gains potentiels en termes d’énergie sont analysés. Un problème industriel de tournées avec gestion de stock est ensuite étudié et résolu, notamment à l’aide d’une méthode de génération de colonnes. Ce problème met en évidence les limitations du modèle IRP classique, ce qui nous a amené à définir un modèle d’IRP plus réaliste. Finalement, une méthode de décomposition basée sur la relaxation lagrangienne est développée pour la résolution de ce problème dans le but de minimiser la consommation énergétique.

Abstract

The thesis studies the Inventory Routing Problem (IRP) with explicit energy consideration. Under the Vendor Managed Inventory (VMI) model, the IRP is an integration of the inventory management and routing, where both inventory storage and transportation costs are taken into account. Under the new sustainability paradigm, green transport and logistics has become an emerging area of study, but few research focus on the ecological aspect of the classical IRP. Since the classical IRP concentrates solely on the economic benefits, it is worth studying under the energy perspective. The thesis gives an estimation of the energetic gain that a better supplying plan can provide. More specifically, this thesis integrates the energy consumption into the decision of the inventory replenishment and routing. It starts with a part supplying problem in car assembly lines, where the transported mass, the vehicle dynamics and the travelled distance are identified as main energy influencing factors. This result is extended to the classical IRP with energy objective to show the potential energy reduction that can be achieved. Then, an industrial challenge of IRP is presented and solved using a column generation approach. This problem put the limitations of the classical IRP model in evidence, which brings us to define a more realistic IRP model on a multigraph. Finally, a Lagrangian relaxation method is presented for solving this new model with the aim of energy minimization.

Mots-Clés / Keywords
Inventory routing problem; Logistics; Energy; Problème de tournées de véhicules avec gestion de stock; Logistique; Energie;

141693
17488
29/11/2017

Cadre unifié pour la modélisation des incertitudes statistiques et bornées – Application à la détection et isolation de défauts dans les systèmes dynamiques incertains par estimation

T.A.TRAN

DISCO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 29 Novembre 2017, 189p., Président: G.DE COOMAN, Rapporteurs: N.RAMDANI, P.BONNIFAIT, Examinateurs: L.TRAVE-MASSUYES, Directeurs de thèse: F.LE GALL, C.JAUBERTHIE , N° 17488

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01705119

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Abstract

This thesis deals with state estimation in discrete-time dynamic systems in the context of the integration of statistical and bounded error uncertainties. Motivated by the drawbacks of the interval Kalman filter (IKF) and its improvement (iIKF), we propose a filtering algorithm for linear systems subject to uncertain Gaussian noises, i.e. with the mean and covariance matrix defined by their membership to intervals. This new interval Kalman filter (UBIKF) relies on finding a punctual gain matrix minimizing an upper bound of the set of estimation error covariance matrices by respecting the bounds of the parametric uncertainties. An envelope containing all possible estimates is then determined using interval analysis. The UBIKF reduces not only the computational complexity of the set inversion of the matrices intervals appearing in the iIKF, but also the conservatism of the estimates. We then discuss different frameworks for representing incomplete or imprecise knowledge, including the cumulative distribution functions, the possibility theory and the theory of belief functions. Thanks to the last, a model in the form of a mass function for an uncertain multivariate Gaussian distribution is proposed. A box particle filter based on this theory is developed for non-linear dynamic systems in which the process noises are bounded and the measurement errors are represented by an uncertain Gaussian mass function. Finally, the UBIKF is applied to fault detection and isolation by implementing the generalized observer scheme and structural analysis. Through various examples, the capacity for detecting and isolating sensor/actuator faults of this tool is illustrated and compared to other approaches.

Résumé

Cette thèse porte sur l’estimation d’état des systèmes dynamiques à temps discret dans le contexte de l’intégration d’incertitudes statistiques et à erreurs bornées. Partant du filtre de Kalman intervalle (IKF) et de son amélioration (iIKF), nous proposons un algorithme de filtrage pour des systèmes linéaires dont les bruits sont gaussiens incertains, c’est-à-dire de moyenne et matrice de covariance définies par leur appartenance à des intervalles. Ce nouveau filtre de Kalman intervalle (UBIKF) repose sur la recherche d’une matrice de gain ponctuelle minimisant une borne majorante de l’ensemble des matrices de covariance de l’erreur d’estimation en respectant les bornes des incertitudes paramétriques. Un encadrement de tous les estimés possibles est ensuite déterminé en utilisant l’analyse par intervalles. Le filtre UBIKF permet de réduire à la fois la complexité calculatoire de l’inversion ensembliste des matrices intervalles présent dans le filtre iIKF et le conservatisme des estimations. Nous abordons ensuite différents cadres permettant de représenter des connaissances incomplètes ou imprécises, y compris les fonctions de répartition, la théorie de possibilité et la théorie des fonctions de croyance. Grâce à cette dernière, un modèle sous forme d’une fonction de masse pour une distribution gaussienne multivariée incertaine est proposé. Un filtrage particulaire ensembliste basé sur cette théorie est développé pour des systèmes dynamiques non linéaires dans lesquels les bruits sur la dynamique sont bornés et les erreurs de mesure sont modélisées par une fonction de masse gaussienne incertaine. Enfin, le filtre UBIKF est utilisé pour la détection et l’isolation de défauts en mettant en oeuvre le schéma d’observateurs généralisé et l’analyse structurelle. Au travers de différents exemples, la capacité d’isolation de défauts capteurs/ actionneurs de cet outil est illustrée et comparée à d’autre approches.

Mots-Clés / Keywords
Distributions de probabilités incertaines; Théorie des fonctions de croyance; Diagnostic; Filtrage de Kalman ensembliste; Filtrage particulaire ensembliste;

142093
17411
13/10/2017

Chronicle based alarm management

J.VASQUEZ

DISCO

Doctorat : INSA de Toulouse, 13 Octobre 2017, 170p., Président: F.MUNOZ, Rapporteurs: C.V.ISAZA, M.LE GOC, Examinateurs: L.TRAVE-MASSUYES, Directeurs de thèse: A.SUBIAS, F.JIMENEZ , N° 17411

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01660820

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Résumé

Ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre d’une thèse en co-tutelle entre l’INSA, Toulouse, et l’Université des Andes, Colombie, avec un financement de Colciencias. Ce travail est motivé par la nécessité pour l’industrie de détecter des situations anormales pendant les phases de démarrage et d’arrêt des installations. La sécurité des installations industrielles implique une gestion intégrée de tous les facteurs et événements pouvant causer des accidents. La gestion des alarmes peut être formulée comme un problème de reconnaissance de motifs événementiels dans lequel des modèles temporels sont utilisés pour caractériser différentes situations typiques, en particulier pendant les phases de démarrage et d’arrêt. Dans cette thèse une nouvelle approche de gestion des alarmes basée sur un processus de diagnostic est proposée. En supposant que les alarmes et les actions du mode opératoire standard sont des événements discrets, l’étape de diagnostic repose sur la reconnaissance de situation pour fournir aux opérateurs des informations pertinentes sur les défaillances induisant le flux d’alarmes. La reconnaissance de situation est basée sur des chroniques qui caractérisent les situations d’interdit et qui sont apprises de manière automatique. Les chroniques sont apprises à partir de séquences d’événements représentatives obtenues par simulation et constituant l’entrée d’une version étendue de l’Algorithme de Découverte de Chroniques Heuristique Modifié (HCDAM). HCDAM a été étendu dans cette thèse pour prendre en compte des connaissances expertes sous la forme de restrictions temporelles spécifiques. Un modèles hybride causal du procédé est utilisé pour vérifier les séquences d’entrée et pour expliquer et donner du sens aux chroniques apprises. La méthodologie de gestion des alarmes basée sur des chroniques CBAM (comme Chronicle Based Alarm Management ) proposée dans cette thèse fusionne différentes techniques pour tenir compte de l’aspect hybride et des procédures opérationnelles standard des processus concernés. Comparée aux autres approches de gestion d’alarmes, cette approche se caractérise par l’utilisation de l’information sur les actions procédurales liées au comportement des variables continues dans un processus formel de diagnostic. Des informations spécifiques sont obtenues à chaque étape de la méthodologie CBAM qui se résume en trois étapes : 1. Étape 1 : Identification du type d’événement à partir des procédures d’exploitation standard et de l’évolution des variables continues, cette étape détermine l’ensemble des types d’événements pendant les phases de démarrage et d’arrêt. 2. Étape 2 : Génération de séquence d’événements à partir de l’expertise et d’une procédure d’abstraction événementielle, cette étape détermine la date d’apparition de chaque type d’événement pour la construction des séquences d’événements représentatives. Une séquence d’événements représentatifs est l’ensemble des types d’événements avec leurs dates d’occurrence qui peuvent être associées à un scénario spécifique du processus. Cette étape se conclut avec la vérification des séquences d’événements représentatives à l’aide du modèle causal hybride. 3. Étape 3 : Construction de la base de chroniques à partir des séquences d’événements représentatives et des restrictions temporelles dans chaque scénario, cette étape détermine la base de chroniques à l’aide de l’algorithme HCDAM. La methode proposée pour la gestion des alarmes est illustrée par deux cas d’etude representatifs du domaine pétrochimique.

Abstract

This thesis work was carried out in the framework of a co-tutelle between INSA, Toulouse, and the University of the Andes, Colombia, with financial support of Colciencias. This work is motivated by the need of the industry to detect abnormal situations in the plant startup and shutdown stages. Industrial plants involve integrated management of all the events that may cause accidents and translate into alarms. Process alarm management can be formulated as an event-based pattern recognition problem in which temporal patterns are used to characterize different typical situations, particularly at startup and shutdown stages. In this thesis, a new approach for alarm management based on a diagnosis process is proposed. Considering the alarms and the actions of the standard operating procedure as discrete events, the diagnosis step relies on situation recognition to provide the operators with relevant information about the failures inducing the alarm flow. The situation recognition is based on chronicles that characterize the situations of interest and are learned automatically. The chronicles are learned from representative event sequences obtained by simulation and given as input to an extended version of the Heuristic Chronicle Discovery Algorithm Modified (HCDAM). HCDAM has been extended in this thesis to account for expert knowledge in the form of specific temporal restrictions. A hybrid causal model of the process is used to verify the input event sequences and to explain and provide semantics to the learned chronicles. The Chronicle Based Alarm Management (CBAM) methodology proposed in this thesis involves different techniques to take the hybrid aspect and the standard operational procedures of the concerned processes into account. Compared to other approaches of alarm management, this approach uses information about the procedural actions related to the continuous variables behavior in a formal diagnosis process. Specific information is obtained in each step of the CBAM methodology, and it is summarized in three steps: 1. Step 1: Event type identification From the standard operating procedures and from the evolution of the continuous variables, this step determines the set of event types in startup and shutdown stages. 2. Step 2: Event sequence generation From the expertise and an event abstraction procedure this step determines the date of occurrence of each event type for constructing the representative event sequences. A representative event sequence is the set of event types with their dates of occurrence that can be associated to a specific scenario of the process. This step concludes verifying the representative event sequences using the hybrid causal graph. 3. Step 3: Chronicle database construction From the representative event sequences and temporal restrictions of each scenario, this step determines the chronicle database using the extended HCDAM algorithm. The proposed framework for alarm management is illustrated with two case studies representative of the petrochemical field.

141513
17624
28/09/2017

Some approximation schemes in polynomial optimization

R.HESS

MAC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 28 Septembre 2017, 106p., Président: S.GAUBERT, Rapporteurs: K.KURDYKA, M.OVERTON, L.VANDENBERGHE, Examinateurs: J.BOLTE, E.DE KLERK, M.SCHWEIGHOFER, Directeurs de thèse: D.HENRION, J.B.LASSERRE , N° 17624

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01809192

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Résumé

Cette thèse est dédiée à l’étude de la hiérarchie moments-sommes-de-carrés, une famille de problèmes de programmation semi-définie en optimisation polynomiale, couramment appelée hiérarchie de Lasserre. Nous examinons différents aspects de ses propriétés et applications. Comme application de la hiérarchie, nous approchons certains objets potentiellement compliqués, comme l’abscisse polynomiale et les plans d’expérience optimaux sur des domaines semi-algébriques. L’application de la hiérarchie de Lasserre produit des approximations par des polynômes de degré fixé et donc de complexité bornée. En ce qui concerne la complexité de la hiérarchie elle-même, nous en construisons une modification pour laquelle un taux de convergence amélioré peut être prouvé. Un concept essentiel de la hiérarchie est l’utilisation des modules quadratiques et de leurs duaux pour appréhender de manière flexible le cône des polynômes positifs et le cône des moments. Nous poursuivons cette idée pour construire des approximations étroites d’ensembles semi-algébriques à l’aide de séparateurs polynomiaux.

Abstract

This thesis is dedicated to investigations of the moment-sums-of-squares hierarchy, a family of semidefinite programming problems in polynomial optimization, commonly called the Lasserre hierarchy. We examine different aspects of its properties and purposes. As applications of the hierarchy, we approximate some potentially complicated objects, namely the polynomial abscissa and optimal designs on semialgebraic domains. Applying the Lasserre hierarchy results in approximations by polynomials of fixed degree and hence bounded complexity. With regard to the complexity of the hierarchy itself, we construct a modification of it for which an improved convergence rate can be proved. An essential concept of the hierarchy is to use quadratic modules and their duals as a tractable characterization of the cone of positive polynomials and the moment cone, respectively. We exploit further this idea to construct tight approximations of semialgebraic sets with polynomial separators.

Mots-Clés / Keywords
Non-convex optimization; Non-smooth optimization; Polynomial approximations; Semialgebraic optimization; Semidefinite programming; Optimisation non-convexe; Optimisation non-lisse; Approximations polynomiales; Optimisation semi-algébrique; Optimisation semi-définie positive;

143598
17503
22/09/2017

Contrôle adaptatif robuste. Application au contrôle d’attitude de satellites

H.LEDUC

MAC

Doctorat : INSA de Toulouse, 22 Septembre 2017, 136p., Président: G.GARCIA, Rapporteurs: S.BENNANI, L.DUGARD, Examinateurs: A.FALCOZ, C.PITTET, Directeurs de thèse: D.PEAUCELLE , N° 17503

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01705517

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Abstract

This manuscript deals with robust direct adaptive control, and its application to CNES microsatellites attitude control. After listing the different types of time-varying controllers, we recall the characteristics of direct adaptive control. In particular, we recall that the knowledge of a stabilizing static output feedback is sufficient to design a direct adaptive controller. In parallel, we introduce the descriptor system theory. Modelizing a system into descriptor form is not usual but fits well with robust direct adaptive control. Starting from existing results about adaptive control and descriptor system theory, we provide an LMI based method which allows to compute, with the knowledge of a stabilizing static output feedback, the parameters of a stabilizing direct adaptive controller. A first result proves that the adaptive controller is at least as robust as the static output feedback. The second result allows to prove improved robustness at the expense of relaxing stability of the equilibrium point to practical stability, that is convergence to a neighborhood of the equilibrium. Then, we provide a method, LMI based as well, which allows to design a robust direct adaptive controller which has a better level of rejection of the perturbations than the static output feedback from which it is designed. All these theoretical results are applied to the attitude control of CNES microsatellites. We design a controller which stabilizes the attitude of the satellite whatever the value of its inertia. This attitude controller can also avoid the satellite reaction wheels to saturate. We design another robust adaptive attitude controller which has a better level of rejection of the perturbations than the static controller which is currently implemented aboard CNES satellites. Finally, we validate all the results of this manuscript by simulating on a AOCS CNES simulator the deployment of the satellite masts and some guiding jumps.

Résumé

Cette thèse porte sur la commande adaptative directe robuste et son application au contrôle d’attitude des satellites de la filière Myriade du CNES. Après avoir présenté les différents types de commande variant dans le temps, nous rappelons les caractéristiques d’un contrôleur adaptatif direct, en particulier le fait que la seule connaissance d’un retour de sortie stabilisant le système à contrôler suffit pour concevoir un contrôleur adaptatif direct. Parallèlement, nous présentons la théorie des systèmes descripteurs. Modéliser un système sous forme descripteur est non conventionnel mais présente de nombreux avantages dans le contexte de la commande adaptative directe robuste. A l’aide des résultats existants sur la commande adaptative directe d’une part, et de la théorie des systèmes descripteurs d’autre part, nous fournissons une méthode permettant de calculer, connaissant un retour de sortie constant, les paramètres d’un contrôleur adaptatif direct robuste stabilisant. Cette méthode repose sur la résolution d’inégalités matricielles linéaires. Le contrôleur adpatatif est plus robuste que le contrôleur constant, mais on ne peut prouver que la stabilité globale que vers un voisinage du point d’équilibre. Nous présentons ensuite une méthode, également basée sur la résolution d’inégalités matricielles linéaires, permettant de concevoir un contrôleur adaptatif direct robuste de meilleur niveau de rejet des perturbations extérieures que le contrôleur constant à partir duquel il est construit. L’ensemble de ces résultats théoriques est ensuite appliqué au contrôle d’attitude des satellites de la filière Myriade du CNES. En particulier, nous concevons un contrôleur d’attitude stabilisant le satellite quelle que soit la valeur de son inertie. Ce contrôleur d’attitude est également capable d’éviter aux roues à réaction du satellite de saturer. Nous concevons ensuite un contrôleur d’attitude adaptatif, robuste, et qui rejette mieux les perturbations extérieures que le contrôleur constant à partir duquel il est construit. Ce contrôleur constant est d’ailleurs actuellement implémenté à bord des satellites de la filière Myriade du CNES. Enfin, nous validons l’ensemble des résultats de cette thèse à l’aide d’un simulateur SCAO du CNES, où nous simulons le déploiement des mâts d’un satellite, ainsi que des scénarii de sauts de guidage.

Mots-Clés / Keywords
Commande adaptative directe; Inégalités matricielles linéaires; Robustesse aux incertitudes; Robustesse aux perturbations extérieures; Contrôle d’attitude de satellite; Systèmes descripteurs; Direct adaptive control; LMI; Robustness with respect to uncertainties; Robustness with respect to the perturbations; Satellite attitude control; Descriptor systems;

142273
17363
21/08/2017

Analyse structurelle pour le diagnostic des systèmes distribués

C.PEREZ

DISCO

Doctorat : INSA de Toulouse, 21 Août 2017, 149p., Président: A.MORAN, Rapporteurs: V.COCQUEMPOT, A.RIOS-BOLIVAR , Directeurs de thèse: L.TRAVE-MASSUYES, E.CHANTHERY, J.SOTOMAYOR , N° 17363

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01631550

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Abstract

This thesis focuses on fault detection and isolation. Among the different methods to generate diagnosis tests by taking advantage of analytical redundancy, this thesis adopts the approach based on analytical redundancy relations (ARRs). Given a model of the system in the form of a set of differential equations, ARRs are relations that are obtained from the model by eliminating non measured variables. This can be performed in an analytical framework using elimination theory. Another way of doing this is to use structural analysis. Structural analysis is based on a structural abstraction of the model that only retains a representation of which variables are involved in which equations. Despite the rusticity of the abstract model, structural analysis provides a set of powerful tools, relying on graph theory, to analyze and infer information about the system. Interestingly, it applies indifferently to linear or nonlinear systems. This thesis proposes efficient algorithms based on structural analysis for the diagnosis of decentralized and distributed continuous systems as well as for the choice of an optimal set of tests. These algorithms were tested on two industrial case studies.

Résumé

Cette thèse porte sur la détection et l’isolation de fautes. Parmi les différentes méthodes pour générer des tests de diagnostic utilisant la redondance analytique, cette thèse adopte l’approche par relations de redondance analytique (RRA). Étant donné un modèle du système sous la forme d’un ensemble d’équations différentielles, les RRA sont des relations obtenues à partir du modèle en éliminant les variables non mesurées. Ceci peut être effectué dans un cadre analytique en utilisant la théorie de l’élimination. Une autre solution consiste à utiliser l’analyse structurelle. L’analyse structurelle est basée sur une abstraction du modèle qui ne conserve que les liens entre variables et équations. Malgré son apparente simplicité, l’analyse structurelle fournit un ensemble d’outils puissants, s’appuyant sur la théorie des graphes, pour analyser et inférer des informations sur le système. Par ailleurs, elle a l’avantage de s’appliquer indifféremment sur les systèmes linéaires ou non linéaires. Cette thèse propose des algorithmes efficaces basés sur l’analyse structurelle pour le diagnostic des systèmes continus decentralisés et distribués ainsi que pour le choix d’un ensemble de tests optimal. Ces algorithmes on été testés sur deux cas d’étude industriels.

Mots-Clés / Keywords
Diagnostic à base de modèles; Analyse structurelle; Architectures décentralisées et distribuées; Algorithmes de planification; A*; Model based fault diagnosis; Structural analysis; Decentralized and distributed architectures; Planning algorithms;

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17152
22/06/2017

Guidance and robust control methods for the approach phase between two orbital vehicles with coupling between translational and rotational motions

L.URBINA IGLESIAS

MAC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 22 Juin 2017, 221p., Président: Y.LABIT, Rapporteurs: H.PIET-LAHANNIER, D.HENRY, Examinateurs: J.CRESPO MORENO, R.VAZQUEZ VALENZUELA, Y.ARIBA, Directeurs de thèse: D.ARZELIER, C.LOUEMBET, Membres invités: J.C.BERGES, D.LOSA , N° 17152

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01591851

Diffusable

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Résumé

Les techniques liées au vol en formation et aux opérations de proximité de satellites autonomes font partie des technologies opérationnelles spatiales les plus marquantes et les plus ambitieuses de ces dernières années. En particulier, cela nécessite la complète maitrise des phases de rendezvous proche et de survol par un satellite actif avec un satellite, une station ou un débris passif. Le développement de systèmes GNC (Guidage Navigation Contrôle) associés performants et sûrs repose sur la connaissance d’un modèle dynamique réalisant un bon compromis entre faible complexité et prise en compte suffisante des principales caractéristiques dynamiques et cinématiques de ce type de systèmes. La première partie de cette thèse est consacrée au développement d’une modélisation unifiée de la dynamique relative couplée entre un satellite coopératif chasseur et un satellite cible non coopérative. En effet, lorsque deux satellites sont proches l’un de l’autre, ils ne peuvent plus être traités comme des masses ponctuelles, car leur forme et leur taille affectent le mouvement relatif entre les points de masse décentralisés, conduisant à un couplage des mouvements de translation et de rotation. Ce développement est abordé de manière progressive: le mouvement de translation relatif non linéaire est décrit sous hypothèses képlériennes dans le repère orbital de la cible ainsi que le modèle linéarisé associé. Ensuite, le modèle non linéaire d’attitude relative est présenté au moyen des paramètres d’Euler-Rodrigues. Enfin, le formalisme des quaternions duaux est utilisé afin d’obtenir le modèle relatif couplé en translation et en attitude. La phase de modélisation du mouvement relatif linéaire de translation a ainsi permis de mettre en évidence certaines transformations de coordonnées conduisant à une caractérisation intéressante des trajectoires périodiques du chasseur et ainsi de proposer un premier type de loi de contrôle de guidage pour la phase d’approche et de survol. Dans l’ensemble de notre travail, nous considérons un chasseur équipé de propulseurs chimiques et l’hypothèse classique des poussées impulsionnelles. Ce type de systèmes dynamiques conciliant dynamique continue et contrôle impulsionnel se définit naturellement comme une classe particulière de systèmes dynamiques hybrides. Plusieurs lois de contrôle hybrides sont alors proposées afin de stabiliser le chasseur sur une trajectoire de référence périodique proche de la cible. Les propriétés de stabilité et de convergence de ces différentes lois sont analysées et de nombreuses simulations numériques montrent les forces et les faiblesses de chaque contrôleur en termes d’indices de performance commele temps de convergence, la consommation ainsi que des contraintes de sécurité. Dans un second temps, des contraintes opérationnelles supplémentaires (contraintes de visibilité par exemple) sont prises en considération en imposant une direction d’approche rectiligne (glideslope) au chasseur. Cette trajectoire impose au satellite chasseur de suivre une droite dans n’importe quelle direction du repère local reliant l’emplacement courant du chasseur à sa destination finale. Sous l’hypothèse de propulsion impulsionnelle, les résultats existant dans la littérature pour ce type d’approche ont été généralisés aux orbites elliptiques en identifiant une nouvelle formulation du problème comprenant des degrés de liberté utiles qui permettent de minimiser la consommation de carburant tout en contrôlant l’excursion de la trajectoire libre en dehors de la droite de glideslope en la confinant dans un couloir d’approche défini par l’utilisateur. La synthèse des lois de guidage ainsi obtenues repose sur la résolution de problèmes d’optimisation SDP dans le cas général ou linéaire pour les cas plus simples d’approche standards du type V-bar ou R-bar.

Abstract

The techniques related to formation flying and proximity operations of autonomous satellites belong to the most significant and challenging operational space technologies of the last years. In particular, they require full mastery of the close-range rendezvous and observation phases by an active satellite with a passive satellite, station or debris. The development of efcient and safe associated Guidance, Navigation and Control (GNC) systems relies on the knowledge of a dynamic model that achieves a good trade-off between low complexity and sufficient inclusion of the main dynamic and kinematic characteristics of this type of systems. The first part of this thesis is devoted to the development of a unified modeling of the relative coupled dynamics between a cooperative chaser satellite and a non-cooperative target satellite. Indeed, when two satellites are close to each other, they can no longer be treated as point masses because their shape and size affect the relative motion between the decentralized points, leading to a translational-attitude motions coupling. This development is addressed in a progressive way: the relative nonlinear translational motion is described under Keplerian assumptions in the target’s orbital reference frame, as well as the associated linearized model. Then, the nonlinear relative attitude model is presented by means of the Euler-Rodrigues parameters. Finally, the dual quaternion formalism is used to obtain the relative translational and attitude coupled model. The modeling phase concerning the linear relative translational motion has allowed us to highlight certain coordinates transformations leading to an interesting characterization of the chaser’s periodic trajectories and thus, to propose a first type of control lawfor the close-phase rendezvous and observation phases. All along this work, we consider a chaser satellite equipped with chemical thrusters under the classical hypothesis of impulsive thrusts. This type of dynamic systems gathering continuous dynamics and impulsive control naturally belongs to a particular class of dynamical hybrid systems. Several hybrid control laws are then proposed in order to stabilize the chaser on a periodic reference trajectory close to the target. The stability and convergence properties of these different laws are analysed and several numerical simulations show the strengths and weaknesses of each controller in terms of performance indices such as convergence time, consumption and safety constraints. In a second step, additional operational constraints (line-of-sight constraints for example) are taken into account by imposing a rectilinear (glideslope) direction to the chaser. This trajectory requires the chaser satellite to follow a straight line in any direction of the local reference frame and connecting the current location of the chaser to its final destination. Under the impulsive propulsion assumptions, the results in the literature for this type of approach have been generalized to elliptic orbits by identifying a newformulation of the problem including useful degrees of freedom, which allowminimizing the fuel consumption while controlling the humps of the trajectory outside the glideslope line by enclosing it in a user-defined approach corridor. Guidance laws are therefore synthetized via the solution of an SDP optimisation problem in the general case and via a linear programming when considering standard cases like the V-bar or R-bar approaches.

Mots-Clés / Keywords
Couplages; Glideslope; Guidage; Rendez-vous; Systèmes hybrides; Systèmes impulsionnels;

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