Robust and optimal control via interval techniques to design controllers for microsystems

Les actionneurs piézoélectriques sont très utilisés pour les systèmes de positionnement pour des tâches à l'échelle micro/nanométrique en raison de leur haute résolution (sub-micrométrique), leur grande bande passante, et une densité de force élevée. Cependant, ils sont caractérisés par des non-linéarités telles que l'hystérésis et la dérive lente, par une grande sensibilité à l’environnement, et pour certains par des comportements oscillatoires. Ces caractéristiques ont un impact considérable sur les tâches que ces actionneurs doivent effectuer et leur contrôle reste souvent difficile. Différents correcteurs robustes ont été développés pour contrôler les actionneurs piézoélectriques. Il s'agit notamment de l'approche grand gain, des approches H-inf, des approches de contrôle basée sur l'observation des perturbations, ...etc. Ces techniques ont démontré une amélioration significative des performances mais mènent souvent à des correcteurs d'ordre élevé qui sont difficiles à mettre en œuvre. Cette thèse consiste à développer des correcteurs pour des actionneurs piézoélectriques en combinant l'analyse d'intervalle et les techniques classiques de commande.Les avantages principaux d’utiliser des intervalles est qu'ils permettent de modéliser facilement les incertitudes paramétriques en les limitant par des bornes. Par ailleurs, les travaux existants démontrent qu’il est possible de synthétiser de manière plus simplifiée des correcteurs robustes d’ordre faible, c-à-d ordre inférieur à celui du modèle. L'état de l'art sur l'utilisation des techniques par intervalle pour la synthèse de correcteurs peut être présenté en deux catégories : les techniques par intervalle basées sur des fonctions de transfert, et les techniques par intervalle basées sur la représentation d’état. Les techniques par intervalle basées sur les fonctions de transfert sont actuellement limitées pour modéliser et synthétiser des correcteurs pour des systèmes monovariables incertains tandis que les techniques basées sur la représentation d'état sont bien adaptées pour des systèmes multivariables incertains. Néanmoins, ces travaux existants pour des systèmes multivariables sont limités aux modèles avec des matrices d'état et d'entrée de structures spéciales. En outre, elles ne portent que sur le degré de stabilité du système en boucle fermée et ne prennent pas donc en compte des spécifications sur les performances. Cette thèse développe des outils de synthèse de correcteurs robustes pour des systèmes multivariables à incertitudes paramétriques dans l’approche d’état par intervalle sans structure particulière et en considérant à priori des performances. Des validations expérimentales sur différents actionneurs piézoélectriques, et ce en commande en position et en force, sont efféctuées. Enfin, la thèse propose également l’extension des observateurs à entrée inconnue pour les systèmes par intervalle afin de compléter les techniques de commande proposées.Piezoelectric actuators are widely used at micro/nanoscale because of their simpleconfiguration, high resolution (sub-nanometric), high speed (large bandwidth upto 1kHz), and high force density. However, they are characterized by some nonlinearitiessuch as hysteresis, internal friction and creep,...etc. These characteristicsconsiderably impact the dynamics of the piezoactuators which makes the controlof these systems not a trivial task. Various robust controllers have been developedto control piezoelectric actuators. These include high gain feedback approach, H1approach, disturbance observer based control approach,...etc. Those techniquesdemonstrated a significant improvement of the control performance, but they oftenderive controllers with high-order which are difficult for implementation. Tobypass this limitation, we focus on the thesis on combining interval analysis withclassical controller design techniques to obtain a low order controllers. The mainadvantage of intervals is that they permit to model parametric uncertainties easilyby bounding them. Furthermore, the process of modeling the system uncertaintiesby intervals makes the synthesis of robust controller with low order relatively easy.The state of the art on the use of interval techniques to design and derive robustcontrollers for uncertain system can be divided into two categories: intervaltransfer functions based approaches and interval state-space representation basedapproaches. Interval transfer functions based designs have been widely used tomodel and to control SISO (Single Input single Output) systems subjected to uncertainties.These approaches make the synthesis of robust controllers for suchsystems easy with providing good performance. However, the current work thatuse interval transfer functions are limited to systems in SISO case. In the otherside, the state-space based approaches have been shown to be well adapted tosynthesis robust controllers for multivariable systems. Nevertheless, the excitingworks are limited to systems with state and input matrices of special structures.Furthermore, they address only the degree of stability of the closed-loop systemwithout discussing performance specification. In order to make the design of robustcontroller using interval state-space approach possible for any interval state-spacestructure, this thesis will explore the interval state-space control design using robustpole assignment technique. This proposed approach will guarantee the stability and the desired performance of the closed-loop system also it allows to obtaina low order controller.For this matter, an algorithm based on Set Inversion Via Interval Analysis(SIVIA) combined with interval eigenvalues computation is proposed to seek for aset of robust gains. This recursive SIVIA-based algorithm allows to approximatewith subpaving the set solutions [K] that satisfy the inclusion of the eigenvaluesof the closed-loop system in a desired region in the complex plan. Furthermore,simple algorithms are proposed to find the optimal feedback gains among the rangeof robust gains [K] as well as the range of the gains that satisfy input constraints,all with the help of interval analysis. Finally, in order to improve the controllerperformance, we were directed our attention to nonlinear control approaches andespecially interval sliding mode control (ISMC) design using interval observers.The effectiveness of the proposed approaches are tested by a real experimentationon several platforms developed in our laboratory to achieve robust performance