UR 7478 – Laboratoire d’ingénierie des systèmes (LIS)

Organisation

Responsables

Tomas MENARD, Directeur

Présentation

Le champ scientifique du LIS fait partie de l’Ingénierie des Systèmes et exploite principalement la culture de la théorie des systèmes dynamiques. Cette activité de recherche s’appuie d’une part sur l’analyse et la modélisation des signaux et systèmes, de l’observation et de la commande des systèmes non linéaires et d’autre part sur différentes réalisations effectuées dans le cadre de projets en coopération avec d’autres laboratoires et entreprises. Les activités du laboratoire couvrent donc le développement d’une recherche fondamentale, des transferts de technologie et la formation de jeunes chercheurs.

Une liste non-exhaustive des mots clés caractérisant notre projet scientifique est : Théorie des Systèmes, Commande, Identification, Observation, Capteurs logiciels, Systèmes non-linéaires, Traitement du signal, Modélisation basée sur les données, Télécommunications, Traitement et Analyse de données, Traitement d’antenne, Conduite de réacteurs biochimiques, Apprentissage et Supervision.

Les activités de recherche du LIS s’articuleront autour de trois thèmes :

• Modélisation des Signaux et Systèmes,
• Observation et Commande des Systèmes,
• Ingénierie des Systèmes ».

Thème 1 : Modélisation des Signaux et Systèmes

Une première problématique concerne l’identification des systèmes, en effet, différents membres du laboratoire s’intéressent depuis quelques années à l’identification de systèmes en présence de perturbations bornées et à l’identification dans le cas d’un signal de sortie fortement quantifié.

Une autre problématique à laquelle s’intéresse l’équipe est le traitement du signal multidimensionnel (ou traitement d’antennes). Cette problématique concerne l’étude et le développement de nouvelles méthodes de localisation de sources large bande pour des structures d’antennes quelconques. Il s’agira en particulier d’étudier et de développer des méthodes à haute résolution pour l’estimation des directions d’arrivée, d’en étudier les performances et la sensibilité à la structure de l’antenne. L’intérêt de ces nouvelles structures est d’appliquer la localisation à des systèmes de radiocommunication cellulaire. Parmi les pistes de recherche à envisager, on s’intéressera à l’adaptation des méthodes à haute résolution classiques (bande étroite) pour la problématique des antennes quelconques. Il sera par ailleurs nécessaire d’établir les performances de ces méthodes et de réaliser une étude de leur sensibilité aux variations du diagramme de rayonnement.

Thème 2 : Observation et Commande des Systèmes

Les activités de recherche dans ce thème peuvent être classées en deux axes qui concernent respectivement l’observation et la commande des systèmes non linéaires.

Observation

Une première problématique liée à l’observation concerne le développement d’un contexte unificateur pour la synthèse d’observateurs de type grand gain pour des classes de systèmes multi-sorties uniformément observables (observables pour toute entrée) et non uniformément observables. Ce contexte permet de déterminer de manière systématique le gain de l’observateur selon la nature des mesures de sorties disponibles : continues dans le temps et/ou échantillonnées, exhibant éventuellement des retards qui pourraient être variant dans le temps et arbitrairement grands. Le cas du multi-échantillonnage avec la présence de plusieurs retards sera aussi pris en compte. La détermination du gain de l’observateur se fait à partir d’une modification appropriée du gain de l’observateur grand gain standard (e.g. celui fonctionnant avec des mesures de sorties continues dans le temps).

Une deuxième problématique en observation concerne les deux limitations connues de l’observateur grand gain standard, en l’occurrence sa sensibilité aux bruits de mesures d’une part et le “peaking” de ses variables d’état pendant les régimes transitoires d’autre part. Pour pallier à ces problèmes, la version standard de l’observateur sera modifiée par l’incorporation de fonctions de saturation et de filtrage appropriées. Le cadre unificateur développé dans le cadre de la première problématique sera conforté par les résultats issus de la seconde problématique.

Commande

Une première problématique en commande consiste à proposer un contexte unificateur pour la synthèse d’un système de commande avec un modèle de référence judicieusement défini à partir des concepts de type grand gain ou feedback linéarisant ou backstepping. Ce contexte unificateur permettra de recouvrer naturellement les lois de commande de type grand gain, feedback linéarisant et backstepping.

Une deuxième problématique en commande concerne la commande adaptative floue. Des algorithmes de commande adaptative floue sont développés pour des classes spécifiques de systèmes non linéaires, en l’occurrence les systèmes affines en la commande, les systèmes avec une direction de commande connue ou inconnue et des systèmes exhibant des non linéarités sur les actionneurs et des retards.

Une troisième thématique en commande concerne la conception d’algorithmes de commande permettant d’obtenir le consensus de systèmes multi-agents. Le problème du consensus d’un système composé de plusieurs agents, comme par exemple une flotte de drones, consiste à faire suivre un agent leader ou une trajectoire commune à tous les agents. La difficulté principale vient du fait que chaque agent ne peut pas communiquer avec tous les autres agents de la flotte, mais seulement avec un nombre limité d’agents. Une autre difficulté vient du fait que les communications entre agents sont supposées être discrètes et que les instants de transmission sont indépendants entre agents.

Par ailleurs, outre les développements précédents portant sur les approches de commande de type grand-gain et backstepping, nous nous intéressons aussi à la commande de type Model Predictive Control dans une configuration de retour de sortie incluant un observateur d’état continu ou continu – discret. Les aspects fondamentaux concernent la synthèse de ce type de loi commande et l’analyse de leur robustesse par rapport à des incertitudes paramétriques des modèles de commande.

Thème 3 : Ingénierie des Systèmes

Automatisation et Supervision des Procédés Intensifiés (ASPI) : cette application s’inscrit dans le cadre d’un projet ANR démarré en mars 2020 et s’étendant sur 4 ans. Ce projet est réalisé dans le cadre d’un partenariat entre des collègues des communautés d’automatique et du génie de procédés de quatre laboratoires de recherche : le Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes de Toulouse (LAAS), le Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse (LGC), le Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes (LIS) et le Laboratoire de Sécurité des Procédés Chimiques de Rouen (LSPC). La motivation de ce projet est de développer une ingénierie des systèmes à haute valeur ajoutée autour des problématiques de conduite des procédés chimiques intensifiés. Ces problématiques vont de la commande des systèmes à la supervision du système de commande en passant par toutes les fonctions de diagnostic, de pronostic et de maintenance prédictive.

Conduite d’un photobioréacteur : il s’agit d’un bioréacteur soumis à des radiations lumineuses, au sein duquel des micro-organismes (algues) se développent en consommant du substrat. Les études autour de cette application se font dans le cadre d’une collaboration avec l’Institut technologique de Culiacán au Mexique (affilié au CONACYT).

Conception de systèmes d’éclairages multi-couleurs LED. Le laboratoire travaille sur le développement d’une association novatrice entre un capteur CMOS et un ensemble de LED émettrices qui permet la mise en place d’un schéma en boucle fermée de pilotage de système d’éclairage LED.

Commande des réacteurs (bio)chimiques. La régulation, via la conception d’une loi de commande basée sur un retour de sortie non-linéaire, du taux de dioxygène dissout au cours d’une fermentation a été testée et validée dans le cadre d’une collaboration avec l’équipe ABTE de l’Université de Caen. Nous travaillons actuellement sur le cas Multi Input Multi Output pour le pilotage de la réaction.

Pilotage automatique des bateaux autonomes. La thématique du bateau autonome est réalisée en collaboration avec l’université HTWG, Konstanz. Elle a pour but le développement d’un système de commande autonome en utilisant l’approche MPC (Model Predictive Control) pour un bateau sous-actionné afin de traiter notamment des problématiques liées au suivi automatique de trajectoire, à l’amarrage et à l’évitement d’obstacle statique ou dynamique.