Estimation du retard et commande prédictive des systèmes à retard avec une classe de retards divers

Delay estimation and predictor-based control of time-delay systems with a class of various delays

• Auteur / Autrice : Yang Deng
• Direction : Franck Plestan, Vincent Léchappé, Emmanuel Moulay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique et robotique
• Date : Soutenance le 08/07/2020
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Richard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Plestan, Vincent Léchappé, Emmanuel Moulay, Jean-Pierre Richard, Pierdominico Pepe, Alexandre Seuret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierdominico Pepe, Alexandre Seuret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande prédictive

Commande automatique

Systèmes linéaires

Mots clés libres

Système à retard

Retard long

Estimation du retard

Commande prédictive

Système commandé en réseau

Time-delay systems

Long delay

Delay estimation

Predictor-based control

Networked-control systems

Résumé

Le retard est un phénomène largement présent dans les systèmes de commande(i.e.retard physique, latence de communication, temps de calcul) et peut en dégrader les performances ou même les déstabiliser. Si le retard est faible, la stabilité en boucle fermée peut être garantie par des lois de commande conventionnelles mais ces techniques ne sont plus efficaces si le retard est long. Cette thèse est dédiée à la commande des systèmes à retard avec retards longs inconnus ou avec des retards incertains. Pour compenser les retards longs, la commande prédictive est adoptée et des techniques d’estimation de retard sont développées. Selon les différents types de systèmes et de retards, trois objectifs sont visés dans la thèse. Le premier objectif considère la commande des systèmes linéaires avec retards constants inconnus pour lesquels un nouvel estimateur de retard est proposé pour estimer les retards inconnus. Le retard estimé est ensuite utilisé dans la commande prédictive pour stabiliser le système. Le deuxième objectif se concentre sur la stabilisation pratique des systèmes commandés à distance avec des retards inconnus variants. Dans ce cas, les retards sont estimés de manière pratique : une boucle de communication spécifique est utilisée pour estimer le retard en temps fini puis le système est stabilisé par une commande prédictive. Les tests expérimentaux réalisés sur un réseau WiFi ont montré que l’algorithme permet d’estimer de manière robuste les retards variants. Le dernier objectif est consacré à la commande des systèmes commandés en réseau avec retards variants. La commande prédictive discrète est utilisée pour compenser les retards longs et variants et les ré-ordonnancements de paquets dans le canal capteur-contrôleur sont également considérés. De plus, cette méthode est validée par l’asservissement visuel d’un pendule inverse commandé en réseau. Les performances obtenues sont meilleures que les méthodes de commande non-prédictives classiques.

Time-delay is a widely-found phenomenon (i.e. physical dead time, communication latency, computation time) in real control systems, which can degrade the performances of the system or destabilize the system. If the time-delay is small, then the closed-loop stability can be guaranteed with conventional control techniques; but these techniques are no longer effective if the time-delay is long. This thesis is dedicated to the control of time-delaysystemswithunknown or uncertain long time-delays. In order to compensate long time-delays, the predictor-based control technique is adopted, and the delay estimation techniques are developed to assist the predictor-based controller. According to the different types of the systems and the time-delays, three objectives are analyzed in the thesis. The first objective considers the control of LTI systems with unknown constant delays, a new type of delay estimator is proposed to estimate the unknown time-delays, then it is plugged into apredictor-based controller to stabilize the system. The second objective focuses on the practical stabilization of remote control systems with unknown time-varying delays, at this time, the time-delays are estimated by a practical way: a specific communication loop is used to estimate the round-trip delay in finite time, and the system is stabilized with a predictor-based controller. This practical delay estimation algorithm is implemented on a real WiFi network, it can estimate the time-varying delays with good performances and robustness. The last objective is devoted to the control of networked control systems with time-varying delays, the discrete predictor-based control techniques are used to compensate long time-varyingdelays,and the packet reordering in the sensor-to-controller channel is also considered. Moreover, this control solution is validated on a networked visual servo inverted pendulum system, and the control performances are fairly better than the non-predictive control methods.