Robust Control in a Nonlinear Context for Large Operating Domains

This thesis deals with the problem of linearization-based gain scheduling control for nonlinear parameter-dependent systems often (but not exclusively) encountered in the aeronautical domain.A novel control strategy, the extended - Loop Shaping Design Procedure (e-LSDP), that facilitates and systematizes the designer's task for the calculation of gain-scheduled control laws for such systems, is here proposed.This strategy is based on a pre-compensation (loop shaping) of linearized instances of the nonlinear system at a small set of synthesis points using simple structure (e.g. PID) controllers and on an additional/corrective compensation at a second set of points by static H1 output feedback controllers. The latter compensation points are computed using an operating point selection algorithm based on the connection of the gap metric and standard H1 loop-shaping theories. The final global nonlinear gain-scheduled control law is finally obtained using interpolation of all controller gains involved in the synthesis phase.The proposed method is validated on two pitch axis autopilot problems : a highly manoeuvrable missile and an atmosphere re-entry model. Both auopilots are extensively tested using nonlinear simulations, Monte Carlo and frozen time-type linear analysis in order to prove their excellent characteristics in terms of both performance and robustness.Cette thèse porte sur le problème de commande des systèmes non-linéaires à paramètres variants rencontrés souvent (mais non seulement) dans le domaine aéronautique, avec la technique de séquencement de gains par linéarisation. Une stratégie innovante, appelée extended - Loop Shaping Design Procedure (e-LSDP), qui facilite et systématise la tache du scientique pour le calcul d'une loi de commande séquencée pour ce type de systèmes, est ici proposée.Cette stratégie est basée sur une pré-compensation (loop shaping) faite à partir des systèmes linéarisés du système non-linéaire autour d'un petit nombre de points de fonctionnement en utilisant des compensateurs de structure simple (e.g. PID), et de plus en utilisant une compensation additionnelle/corrective type retour de sortie H1 statique. Les points de fonctionnement de la deuxième compensation sont calculés à l'aide d'un algorithme de choix de points de synthèse basé sur la connexion des théories de la gap métrique et de la commande H1 par loop shaping. La loi de commande globale non-linéaire séquencée est finalement obtenue en utilisant une interpolation de tous les gains des com-pensateurs impliqués pendant la phase de synthèse.La méthode proposée ici est validée sur deux exemples d'application : le pilotage autour de l'axe de tangage d'un missile fortement manœuvrant et d'un véhicule de rentrée atmosphérique. Les deux autopilotes sont testés de façon intensive en utilisant des simulations non-linéaires, une analyse Monte Carlo et linéaire à temps figé afin de démontrer leurs excellentes caractéristiques en termes de performance et de robustesse