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Techniques de détection de défauts à base d’estimation d’état ensembliste pour systèmes incertains

Sofiane BEN CHABANE
Soutenance de thèse de doctorat le 13 Octobre 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

Cette thèse propose une nouvelle approche de détection de défauts pour des systèmes linéaires soumis à des incertitudes par intervalles, des perturbations et des bruits de mesures bornés. Dans ce contexte, la détection de défauts est fondée sur une estimation ensembliste de l’état du système. Les contributions de cette thèse concernent trois directions principales.

La première partie propose une méthode d’estimation d’état ensembliste améliorée combinant l’estimation à base des zonotopes (qui offre une bonne précision) et l’estimation à base d'ellipsoïdes (qui offre une complexité réduite).

Dans la deuxième partie, une nouvelle approche d’estimation d’état ellipsoïdale fondée sur la minimisation du rayon de l’ellipsoïde est développée. Dans ce cadre, des systèmes multivariables linéaires invariants dans le temps, ainsi que des systèmes linéaires variant dans le temps ont été considérés. Ces approches, résolues à l'aide de problèmes d’optimisation sous la forme d’Inégalités Matricielles Linéaires, ont été étendues au cas des systèmes soumis à des incertitudes par intervalles.

Dans la continuité des approches précédentes, deux techniques de détection de défauts ont été proposées dans la troisième partie utilisant les méthodes d'estimation ensemblistes. La première technique permet de détecter des défauts capteur en testant la cohérence entre le modèle et les mesures. La deuxième technique fondée sur les modèles multiples permet de traiter simultanément les défauts actionneur/composant/capteur. Une commande prédictive Min-Max a été développée afin de déterminer la commande optimale et le meilleur modèle à utiliser pour le système, malgré la présence des différents défauts.

 

Composition du jury :

M. Vicenç PUIG CAYUELA                      Rapporteur                            Universitat Politècnica de Catalunya
M. Didier THEILLIOL                              Rapporteur                             Université de Lorraine - CRAN
M. Teodoro ALAMO                               Co-encadrant                         Universidad de Sevilla
M. Christophe COMBASTEL                   Examinateur                          Université Bordeaux 1
M. Didier DUMUR                                 Directeur de thèse                 CentraleSupélec
M. Morten HOVD                                  Examinateur                          Norwegian University of Science and Technology
Mme Dorothée NORMAND-CYROT      Examinatrice                          CNRS - Laboratoire des Signaux et Systèmes (L2S)
Mme Hélène PIET-LAHANIER               Examinatrice                          ONERA Laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système

Membres invités :
M. Eduardo F. CAMACHO                      Co-encadrant                         Universidad de Sevilla
Mme Cristina STOICA MANIU               Co-encadrant                         CentraleSupélec

Mots-clés :

Estimation ensembliste, détection de défauts, commande tolérante aux défauts, Inégalité Matricielle Linéaire, systèmes incertains.

Panneaux complexes anisotropes et imagerie électromagnétique rapide.

Giacomo RODEGHIERO
Soutenance de thèse de doctorat le 29 Septembre 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Ampère

Le Contrôle Non Destructif (CND) de matériaux composites multicouches pour des problèmes de qualité, viabilité,  sécurité et disponibilité des systèmes qui impliquent des pièces fabriquées dans les industries aéronautiques et de l'automobile est devenu une tâche essentielle aujourd'hui. L'objectif visé par cette thèse est l'imagerie électromagnétique de structures complexes multicouches anisotropes, de plus en plus utilisées dans des applications, et encore source de sérieux défis à l'étape de leur modélisation et encore plus à l'étape souvent en enfance de leur imagerie. En utilisant une vaste gamme de fréquences, qui va des courants de Foucault jusqu'aux micro-ondes, il y a un fort besoin de rendre disponibles des procédures de modélisation et d'imagerie qui sont robustes, rapides, précises et utiles à la décision des utilisateurs finaux sur des défauts potentiels, tant donc en basse fréquence (BF) (matériaux conducteurs, type fibre de carbone) qu'en haute fréquence (HF) (matériaux diélectriques, type fibre de verre). De plus, il est important d'obtenir des résultats en des temps brefs. Cependant, cela nécessite la connaissance d'une réponse précise à des sources externes aux multicouches, en considérant les couches des composites comme non endommagées ou endommagées : on parle donc de solution du problème direct, avec le cas particulier de sources élémentaires conduisant aux dyades de Green (DGF).

La modélisation et la simulation numérique du problème direct sont gérés principalement via une solution au premier ordre de la formulation intégrale de contraste de source impliquant le tenseur de dépolarisation des défauts, quand ceux-ci sont assez petits vis-à-vis de l'épaisseur de peau locale (cas BF) ou de la longueur d'onde locale (cas HF). La précision des DGF doit nécessairement être assurée alors, même si les sources se situent loin de l'origine, ce qui donne un spectre de dyades qui oscille très rapidement. La technique d'interpolation-intégration dite de Padua-Domínguez est ainsi introduite dans le but d'évaluer de façon efficace des intégrales fortement oscillantes.

Néanmoins, les matériaux composites peuvent souffrir de divers défauts, lors du processus de fabrication ou pendant leurs utilisations. Vides d'air, cavités remplies de liquide, fissures, etc., peuvent affecter le fonctionnement correct des structures composites. Il est donc indispensable de pouvoir détecter la présence des défauts. Ici, l'insistance est sur la méthode bien connue d'imagerie dite MUltiple SIgnal Classification (MUSIC), qui est basée sur la décomposition en valeurs singulières (SVD) des DGF ; celle-ci est développée afin de localiser les positions de multiples petits défauts volumiques en interaction faible enfouis dans des milieux anisotropes uniaxiaux. Le principal inconvénient de la méthode MUSIC est cependant sa sensibilité par rapport au bruit. Par conséquent, des méthodes MUSIC avec une résolution améliorée et la Recursively Applied and Projected (RAP) MUSIC sont introduites afin de surmonter un tel inconvénient de l'algorithme standard et de fournir des résultats de qualité avec une meilleure résolution. De nombreuses simulations numériques illustrent ces investigations.

Composition du jury :

H. Haddar, Directeur de recherche INRIA, DEFI-CMAP, Palaiseau, rapporteur,
A. Tamburrino, Professeur, Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, Cassino, rapporteur,
M. Bonnet, Directeur de recherche CNRS, POems, Unité de Mathématiques Appliquées, Palaiseau, examinateur,
J.-P. Groby, Chargé de recherche CNRS, Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine, Le Mans, examinateur,
C. Reboud, Ingénieur-chercheur, CEA LIST, Département Imagerie Simulation pour le Contrôle, Saclay, examinateur,
D. Lesselier, Directeur de recherche CNRS, L2S, Gif-sur-Yvette, Directeur de thèse.

 

Diffraction électromagnétique par des laminés plans renforcés par des fibres cylindriques arrangées périodiquement.

Changyou Li
Soutenance de thèse de doctorat le 28 Septembre 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Ampère

La thèse porte sur la modélisation électromagnétique et la simulation de composites stratifiés plans (laminés), renforcés par des fibres organisées périodiquement. L'objectif est d'acquérir une bonne compréhension du comportement électromagnétique de telles structures, en première et étape de ce que pourrait ultérieurement être la production d'images mettant en évidence la localisation de zones éventuellement endommagées, et fournissant une certaine quantification de celles-ci.

La thèse proprement dite se concentre donc sur la construction et l'évaluation de modèles de la diffraction électromagnétique par des composites multicouches tels que chaque couche est renforcée par des fibres disposées périodiquement. Est d'abord investiguée la diffraction par une plaque diélectrique (mono-couche) au sein de laquelle des fibres cylindriques de section circulaire de même rayon sont incorporées périodiquement, ces fibres ayant la même orientation de leurs axes et la même distance de centre à centre.

Un cas bidimensionnel impliquant des ondes planes E ou H-polarisées, ainsi que des faisceaux gaussiens, normalement ou obliquement incidents, est d'abord pris en considération afin de mieux comprendre principes et philosophies des méthodes de choix, le couplage de mode et l'expansion multipolaire. Puis le travail est étendu, la diffraction de la plaque sous un éclairement tridimensionnel (conique) étant alors traitée en détail, ce qui montre aussi le potentiel de la méthodologie mise en œuvre si l'on souhaite obtenir la réponse électromagnétique de la structure à une source ponctuelle.

Un composite multicouche, plus courant, mais plus complexe, qui est fait d'un empilement de plaques l'une sur l'autre, est alors étudié. Deux différentes espèces de composites sont ici prises en compte. Pour étudier la première, dont les fibres dans les différentes couches possèdent les mêmes orientations, des méthodes à base de matrices dites S ou dites T sont introduites, impliquant entre autre de s'intéresser à une résolution convenable du système linéaire produit selon le couplage de mode à la transition entre deux couches adjacentes. Une investigation de la deuxième espèce de composites suit alors, pour lequel les fibres au sein des différentes couches sont orientées dans des directions différentes quelconques, ce que permet une extension précautionneuse des approches précédentes.

Une certaine attention est également portée au problème de l'homogénéisation des composites, de manière à lier les démarches à petite échelle telles que développées dans la thèse à celles à grande échelle souvent les seules prises en compte dans le contrôle non destructif et l'imagerie des composites stratifiés.

De nombreux résultats de simulations numériques sont proposés et validés autant que possible par des résultats de référence de la littérature (notamment dans le cas de cristaux photoniques) et l'utilisation de solveurs «brute-force». L'accent est aussi mis sur des cas particuliers de matériaux composites (ceux à base de fibres de verre et ceux à base de fibres de carbone) qui sont le plus souvent rencontrés dans les applications pratiques, avec des bandes de fréquences appropriées choisies en accord avec le comportement des fibres, principalement diélectrique ou principalement conducteur.

 

Composition du jury :

O. Dazel, Professeur, Université du Maine, Le Mans, rapporteur,
A. Nicolet, Professeur, Aix-Marseille Université, Marseille, rapporteur,
J.-J. Greffet, Professeur, Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique, Palaiseau, examinateur,
P. Joly, Directeur de recherche INRIA, Palaiseau, examinateur,
C. Reboud, Ingénieur-chercheur, CEA LIST, Département Imagerie Simulation pour le Contrôle, Saclay, examinateur,
D. Lesselier, Directeur de recherche CNRS, L2S, Gif-sur-Yvette, Directeur de thèse.

Caractérisation des performances minimales d’estimation pour des modèles d’observation non-standards

Chengfang Ren
Soutenance de thèse de doctorat le 28 Septembre 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Janet

Dans le contexte de l'estimation paramétrique, les performances d'un estimateur peuvent être caractérisées, entre autre, par son erreur quadratique moyenne (EQM) et sa résolution limite. La première quantifie la précision des valeurs estimées et la seconde définit la capacité de l'estimateur à séparer plusieurs paramètres. Cette thèse s'intéresse d'abord à la prédiction de l'EQM "optimale" à l'aide des bornes inférieures pour des problèmes d'estimation simultanée de paramètres aléatoires et non-aléatoires (estimation hybride), puis à l'extension des bornes de Cramér-Rao pour des modèles d'observation moins standards. Enfin, la caractérisation des estimateurs en termes de résolution limite est également étudiée. Cette thèse est donc divisée en trois parties :

- Premièrement, nous complétons les résultats de littérature sur les bornes hybrides en utilisant deux bornes bayésiennes : la borne de Weiss-Weinstein et une forme particulière de la famille de bornes de Ziv-Zakaï. Nous montrons que ces bornes "étendues" sont plus précises pour la prédiction de l'EQM optimale par rapport à celles existantes dans la littérature.

- Deuxièmement, nous proposons des bornes de type Cramér-Rao pour des contextes d'estimation moins usuels, c'est-à-dire : (i) Lorsque les paramètres non-aléatoires sont soumis à des contraintes d'égalité linéaires ou non-linéaires (estimation sous contraintes). (ii) Pour des problèmes de filtrage à temps discret où l'évolution des états (paramètres) est régit par une chaîne de Markov. (iii) Lorsque la loi des observations est différente de la distribution réelle des données.

- Enfin, nous étudions la résolution et la précision des estimateurs en proposant un critère basé directement sur la distribution des estimées. Cette approche est une extension des travaux de Oh et Kashyap et de Clark pour des problèmes d'estimation de paramètres multidimensionnels.

 

Membres du jury :
M. Jean-Yves Tourneret  Professeur à l’INP-ENSEEIHT Toulouse  (Rapporteur)
M. Philippe Forster  Professeur à l’Université Paris-Ouest  (Rapporteur)
M. Cédric Richard  Professeur à l’Université Nice Sophia-Antipolis  (Examinateur)
M. Karim Abed-Meraim  Professeur à l’Université d’Orléans  (Examinateur)
M. Éric Chaumette  Professeur à l’ISAE  (Encadrant de thèse)
M. Jérôme Galy   Maître de conférences à l’Université de Montpellier  (Encadrant de thèse)
M. Alexandre Renaux  Maître de conférences à l’Université Paris-Sud  (Directeur de thèse)


Mots clés : Estimation paramétrique, estimateurs au sens du maximum de vraisemblance, estimateurs au sens du maximum a posteriori, estimation hybride, analyse de performance, bornes inférieures de l'erreur quadratique moyenne, résolution limite statistique.

Trajectory planning and control of collaborative systems: application to trirotor UAVs

Étienne Servais
Soutenance de thèse de doctorat le 18 Septembre 2015, 15h00 à Mines ParisTech (amphi L109)

L'objet de cette thèse est de proposer un cadre complet, du haut niveau au bas niveau, de génération de trajectoires pour un groupe de systèmes dynamiques indépendants. Ce cadre, basé sur la résolution de l'équation de Burgers pour la génération de trajectoires, est appliqué à un modèle original de drone trirotor et utilise la platitude des deux systèmes différentiels considérés.

La première partie du manuscrit est consacrée à la génération de trajectoires. Celle-ci est effectuée en créant formellement, par le biais de la platitude du système considéré, des solutions à l'équation de la chaleur. Ces solutions sont transformées en solution de l'équation de Burgers par la transformation de Hopf-Cole pour correspondre aux formations voulues. Elles sont optimisées pour répondre à des contraintes spécifiques. Plusieurs exemples de trajectoires sont donnés.

La deuxième partie est consacrée au suivi autonome de trajectoire par un drone trirotor. Ce drone est totalement actionné et un              contrôleur en boucle fermée non-linéaire est proposé. Celui-ci est testé en suivant, en roulant, des trajectoires au sol et en vol. Un modèle est présenté et une démarche pour le contrôle est proposé pour transporter une charge pendulaire.

Composition du jury

Mme Brigitte d'ANDREA-NOVEL  Professeur, Mines ParisTech  Examinateur, directeur de thèse
M. Jean-Michel CORON  Professeur, Université Pierre et Marie Curie  Examinateur
M. Tarek HAMEL  Professeur, Université de Nice Sophia Antipolis  Rapporteur
M. Miroslav KRSTIC  Professeur, Université de Californie à San Diego  Rapporteur
M. Hugues MOUNIER  Professeur, Université Paris-Sud  Examinateur, directeur de thèse
M. Silviu-Iulian NICULESCU  Directeur de recherche, CNRS  Invité
M. Arnaud QUADRAT  Ingénieur, Sagem-DS  Invité
M. Joachim RUDOLPH  Professeur, Université de la Sarre  Examinateur
M. Claude SAMSON  Directeur de recherche, INRIA  Examinateur

Gestion de la mobilité dans les réseaux Ad Hoc par anticipation des métriques de routage

Sabrine NAIMI
Soutenance de thèse de doctorat le 22 Juillet 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette)

Avec le succès des communications sans fil, il devient possible d'accéder au réseau partout et à tout moment sans avoir recours à connecter physiquement les appareils communicants à une infrastructure. Les nœuds (ordinateurs portables, smartphones, etc) peuvent analyser les différents canaux radio afin de pouvoir s'associer à un réseau sans fil disponible (station de base, point d'accès, etc.) Un avantage indéniable de ses technologies sans fil est la possibilité d'être mobile tout en restant connecté. Cependant, la mobilité est une tâche difficile à gérer car elle doit être abordée à différentes couches pour être transparente aux utilisateurs. Dans les MANET (Mobile Ad hoc Network), les protocoles de routage utilisent des métriques pour sélectionner les meilleures routes. Les métriques peuvent refléter la qualité de la liaison sans fil et aider à gérer la mobilité.
Mais, un retard important entre l'estimation des métriques et leur inclusion dans le processus de routage rend cette approche inefficace.

Les travaux de cette thèse s'intéressent à la proposition de nouvelles méthodes de calcul des métriques de routage pour gérer le problème de la mobilité dans les réseaux ad hoc. Les nouvelles métriques doivent refléter la qualité du lien et être sensibles à la mobilité en même temps. Nous considérons les métriques classiques, en particulier ETX (Expected Transmission Count) et ETT (Expected Transmission Time). Nous introduisons de nouvelles méthodes pour anticiper les valeurs de ces métriques en utilisant des algorithmes de prédiction. Nous utilisons une approche Cross layer, qui permet l'utilisation conjointe de l'information à partir des couches 1, 2 et 3. La validation de nouvelles méthodes de calcul des métriques de routage nécessite une évaluation au travers d'un véritable banc d'essai. Nous avons donc également mis en oeuvre les nouvelles métriques de routage dans un testbed afin d'évaluer et de comparer leurs performances avec les métriques classiques.

Mots clés :
ETX, métrique, Ad Hoc, réseau sans fil, mobilité, anticipation


Membres du jury:

Directeur de thèse   Mme Véronique VÈQUE   Professeur (Université Paris-Sud)
Directeur de thèse  Mr Ridha BOUALLEGUE   Professeur (Université Tunis El Manar)
Co-directeur de thèse  Mr Anthony BUSSON   Professeur (Université Lyon 1)

Rapporteurs:
Mme Béatrice PAILLASSA   Professeur (Université de Toulouse)
Mme Kaouther SETHOM    Maître de conférences (Université de Carthage Tunis)

Examinateurs:
Mr Anis LAOUTI Enseignant-Chercheur (TELECOM SudParis)
Mme Anne FLADENMULLER Maître de Conférences HDR ( Université Pierre et Marie Curie)

Communication Sécurisée et Coopération dans les Réseaux sans Fil avec Interférence

Germán BASSI
Soutenance de thèse de doctorat le 6 Juillet 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Mesny

Dans cette thèse, nous menons une étude dans le cadre de la théorie de l'information sur deux questions importantes de la communication sans fil : l'amélioration du débit de données dans les réseaux avec interférence grâce à la coopération entre utilisateurs et le renforcement de la sécurité des transmissions à l'aide d'un signal de rétroaction.

Dans la première partie de la thèse, nous nous concentrons sur le modèle le plus simple qui intègre à la fois l'interférence et la coopération, le canal à relais et interférence ou IRC (Interference Relay Channel). Notre objectif est de caractériser dans un nombre fixe de bits la région de capacité du IRC gaussien, indépendante des conditions de canal. À cette fin, nous dérivons une nouvelle limite supérieure de la capacité et deux stratégies de transmission. La limite supérieure est notamment obtenue grâce à une extension non triviale que nous proposons, de la classe de canaux semi-déterministe et injective à l'origine dérivée par Telatar et Tse pour le canal à interférence. En outre, nous présentons deux stratégies de transmission qui combinent les stratégies de relayage de decode-and-forward (partiel) et compress-and-forward avec la stratégie de Han-Kobayashi pour faire face à l'interférence.

Dans la seconde partie de la thèse, nous étudions le canal avec espion et rétroaction généralisée ou WCGF (Wiretap Channel with Generalized Feedback). Notre objectif est de développer une stratégie de transmission générale qui englobe les résultats existants pour les différents modèles de rétroaction trouvés dans la littérature. À cette fin, nous proposons deux stratégies de transmission différentes sur la capacité du WCGF sans mémoire. Nous dérivons d'abord une stratégie de transmission qui est basée sur l'utilisation du codage de source et de canal conjoint, qui introduit des dépendances temporelles entre les sorties du signal de rétroaction et les entrées de canal à travers les différents blocs de temps. Nous introduisons ensuite une seconde stratégie de transmission où le signal de rétroaction est utilisé pour générer une clé secrète qui permet de chiffrer le message partiellement ou totalement. De plus, nous dérivons une stratégie d'accord de clé secrète pour le même modèle de canal.

Membres du jury:

Jean-Claude Belfiore Professeur Télécom ParisTech (Examinateur)

Deniz Gündüz  Professeur Assistant  Imperial College London (Examinateur)

Michel Kieffer  Professeur  CNRS / CentraleSupélec (Examinateur)

Pablo Piantanida  Professeur Assistant  CentraleSupélec (Encadrant de thèse)

Olivier Rioul  Professeur  Télécom ParisTech / LTCI CNRS (Examinateur)

Aydin Sez­gin  Professeur  Ruhr-Universität Bochum (Rapporteur)

Yang Sheng  Professeur Assistant  CentraleSupélec (Encadrant de thèse)

Daniela Tuninetti  Professeure Associée  University of Illinois at Chicago (Rapporteuse)

Localisation des sources aéro-acoustiques et imagerie à haute résolution

Jad ABOU CHAAYA
Soutenance de thèse de doctorat le 30 Juin 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Boucherot

La localisation de sources distribuées en champ proche présente un défi en traitement d'antenne. Une des applications est représentée par l'imagerie acoustique qui consiste à déterminer les positions et les puissances de sources aéro-acoustiques à l'aide d'un réseau de microphones. L'objectif est d’étudier et de réduire les sources aéroacoustiques dans l’industrie du transport. Néanmoins, dans la mesure de nos connaissances, les méthodes à haute résolution pour la localisation et l'estimation de puissance des sources avec étalement spatial n'ont pas était étudiée dans le domaine de l'imagerie acoustique.

Tout d’abord, le modèle de source Distribuées Cohérentes (DC) est étendu en champ proche ainsi que l'estimateur Distributed Signal Parameter Estimator (DSPE) sous le nom de NF-DSPE. Cependant, le NF-DSPE exige la connaissance à priori sur la forme de distribution de la dispersion de la source, la raison qui nous motive à proposer une estimation conjointe de l'angle, la distance, la dispersion et la forme de la source nommée JADSSE. Cette méthode fournit des estimations précises même en absence de l'information sur la forme de la distribution qui décrit la dispersion angulaire de la source.

Ensuite, un solution inspirée de l’estimateur DSPE Découplé (DDSPE) est proposé afin de découpler d’une part l'estimation de l’angle d’arrivée et de la distance et d’autre part l'estimation de la dispersion angulaire. Le NF-DDSPE permets l'estimation des angles et des distances des sources DC sans la connaissance a priori des formes des distributions angulaires. Pourtant, afin d'estimer la dispersion de la source, on propose le DADSSE qui consiste à utiliser le JADSSE et le NF-DDSPE pour estimer successivement la DDA, la distance de la source et ensuite la dispersion et la forme de la distribution.Puis, tenant compte de la configuration de l'application traitée, on construit le modèle de source DC considérant l'extension spatiale bidimensionnelle de la source paramétrée en coordonnées Cartésiennes. Ensuite, deux approches pour l'estimation de la puissance des sources sont proposées : la première exploite  le pseudo-spectre de la formation de voies généralisées et la deuxième repose sur un estimateur de moindres carrés. Les deux méthodes surmontent le défi d'estimer les sources moins puissantes. Les résultats présentent l'avantage de considérer la forme de la source sur la localisation et l'estimation de la puissance.

Finalement, les méthodes proposées sont utilisées sur les données réelles issues de mesures en soufflerie. Les  résultats montrent que les principales sources aéro-acoustiques apparaissent avec les estimateurs de sources ponctuelles et distribuées. Cependant, utiliser des estimateurs basés sur l'étalement de la source (source distribuée) présente les avantages suivants: i) localiser des nouvelles sources; ii) estimer la dispersion et de la forme pour améliorer la caractérisation de ces sources ; iii) détecter des sources aéro-acoustiques très proches; iv) augmenter la gamme d'estimation des puissances pour détecter à la fois les sources faibles et dominantes. En conclusion, on fournit un outil pour une meilleure cartographie des sources aéro-acoustiques qui considère l'estimation de la position, l'étalement, la puissance et la forme.

Membres du jury :

M. ANTONI Jérôme– Professeur – INSA Lyon (Rapporteur)
M. FORSTER Philippe– Professeur – Université Paris Ouest Nanterre La Défense  (Examinateur)
Mme. MARCOS Sylvie– Directeur de recherche CNRS– CentraleSupélec (Directeur de thèse)
M. PICHERAL José – Maîtres de conférences –  CentraleSupélec (Encadrant)
M. WANG Yide – Professeur – Univérsité de Nantes- Polytech Nantes (Rapporteur)

Analyse et commande de systèmes multivariables Application à un turbopropulseur

Christophe LE BRUN
Soutenance de thèse de doctorat le 26 Juin 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40

Les travaux entrepris au cours de cette thèse s’inscrivent dans le contexte du développement de lois de commande d’un turbopropulseur. Un turbopropulseur est un système de propulsion dont la poussée est obtenue par la rotation d’une hélice reliée à une turbine de puissance. Il s’agit d’un système multivariable dont les grandeurs à asservir sont la puissance développée par l’hélice et sa vitesse de rotation.

L’objectif de ces travaux est de synthétiser des lois de commande facilement ajustables, permettant de respecter des spécifications techniques classiques (temps de réponse, dépassement, erreur statique) et de réduire les couplages. Les approches décentralisées sans et avec découplage sont principalement envisagées. Une part importante de ces travaux de recherche concerne l’analyse des interactions, la synthèse d’une commande décentralisée et le découplage. Ces méthodes ont été appliquées sur un modèle complet de turbopropulseur, et ont permis de synthétiser des lois de commande performantes et robustes.

Composition du Jury :

M. Dominique BEAUVOIS                  Professeur CentraleSupélec                                                            Co-encadrant

M. Mohammed DJEMAI                     Professeur des Universités (Université de Valenciennes)         Examinateur

M. Emmanuel GODOY                        Professeur CentraleSupélec                                                           Directeur de thèse

M. Frédéric KRATZ                             Professeur des Universités (INSA Centre Val de Loire)              Rapporteur

M. Bogdan LIACU                                Ingénieur, Régulation Avant-projets (Snecma)                            Invité

Mme Xuefang LIN-SHI                        Professeur des Universités ( INSA de Lyon)                                 Rapporteur

M.  Saïd MAMMAR                             Professeur des Universités (Université d’Evry)                            Examinateur

M. Hugues MOUNIER                         Professeur des Universités (Université Paris Sud XI)                  Examinateur

M. Ricardo NOGUERA                        Maître de conférences (Arts et Métiers ParisTech)                   Examinateur

M. Thierry SCHMITT                           Chef de département Avant-projets (Snecma)                            Examinateur

Optimisation de correcteurs par les méta-heuristiques – Application à la stabilisation inertielle de lignes de visée

Philippe FEYEL
Soutenance de thèse de doctorat le 16 Juin 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Depuis de nombreuses années, Sagem est présent sur le marché des dispositifs de visées. Avec des dispositifs optroniques, on cherche à produire une image dont l’orientation et la qualité ne dépendent pas du porteur. Pour cela, des senseurs optroniques sont portés par un dispositif mécatronique asservi inertiellement, ce qui confère au viseur certaines fonctionnalités telles que l’observation, la détection et l’identification. Le problème de stabilisation inertielle consiste en un problème de rejet de perturbations externes :

-       la première est le couple de frottements engendré lors d’un mouvement relatif entre le porteur du viseur et la ligne de visée.

-       la seconde perturbation provient des déformations mécaniques de la structure du viseur qui de par sa flexibilité transmet à la ligne de visée, voire amplifie, une partie de l’environnement mécanique auquel le viseur est soumis.

En plus de l’exigence de performance sous ces environnements, d’autres exigences doivent être prises en considération lors de la conception :

-       parce que le viseur est un équipement embarqué et/ou parce qu’il doit préserver l’intégrité de la motorisation, une exigence sur la consommation énergétique de l’étage de stabilisation est nécessaire (contrainte sur la puissance instantanée maximale, contrainte sur le courant ou la tension maximale, etc…),

-       parce que le viseur est un système de grande série, la conception de la loi de commande doit se faire sous contrainte de robustesse.

Ainsi l’automaticien doit concevoir une loi de commande unique qu’il validera sur un prototype unique, ayant un degré de robustesse suffisant pour satisfaire un cahier des charges complexe sur un grand nombre de systèmes. Pour cela, la méthodologie de développement qu’il emploie actuellement est un processus itératif expérimental (phase d’essai-erreur), qui fait grandement appel à l’expérience de l’ingénieur.

Dans cette thèse, on tente de rendre cette méthodologie de synthèse des correcteurs des asservissements de viseurs plus efficace car plus directe et donc moins couteuse en temps de développement, en calculant un correcteur final (structuré) par une attaque directe des spécifications système haut niveau.

La complexité des spécifications système haut-niveau nous pousse à l’emploi des métaheuristiques : ces techniques d’optimisation ne nécessitent pas la formulation du gradient, la seule contrainte étant la possibilité d’évaluer la spécification. Ainsi avons-nous proposé dans ce mémoire de reformuler les problèmes de commande robuste pour l’optimisation stochastique : on montre dans ce travail comment on peut synthétiser des correcteurs structurés à partir de problématiques de type H¥ ou m-synthèse et on montre que l’intérêt de l’approche formulée réside dans sa flexibilité et la prise en compte de contraintes « exotiques » complexes ; les algorithmes évolutionnaires s’avérant très performants et compétitifs, nous avons finalement développé sur cette base une méthode originale de synthèse de correcteurs structurés et robustes vis-à-vis de critères d’optimisation de forme quelconque. La validation de ces travaux a été réalisée sur des exemples industriels de viseurs.

 

 

Composition du Jury :


M. Pierre APKARIAN                          ONERA-CERT                                        Rapporteur

M. Philippe CHEVREL                          Ecole des Mines de Nantes               Professeur, Examinateur
M. Yohan COMORASSAM                  Sagem Défense Sécurité                   Examinateur

M. Gilles DUC                                       CentraleSupélec                                 Professeur, Directeur de thèse  
M. Edouard LAROCHE                        Université de Strasbourg                  Professeur des Universités, Rapporteur

M. Hugues MOUNIER                         Paris-Sud, L2S                                      Professeur des Universités, Examinateur
M. Guillaume SANDOU                      CentraleSupélec                                 Professeur, Co-encadrant

M. Michel ZASADZINSKI                     IUT de Longwy                                     Professeur des Universités, Examinateur

Optimisation de correcteurs par les méta-heuristiques – Application à la stabilisation inertielle de lignes de visée

Philippe FEYEL
Soutenance de thèse de doctorat le 16 Juin 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Depuis de nombreuses années, Sagem est présent sur le marché des dispositifs de visées. Avec des dispositifs optroniques, on cherche à produire une image dont l’orientation et la qualité ne dépendent pas du porteur. Pour cela, des senseurs optroniques sont portés par un dispositif mécatronique asservi inertiellement, ce qui confère au viseur certaines fonctionnalités telles que l’observation, la détection et l’identification. Le problème de stabilisation inertielle consiste en un problème de rejet de perturbations externes :

-       la première est le couple de frottements engendré lors d’un mouvement relatif entre le porteur du viseur et la ligne de visée.

-       la seconde perturbation provient des déformations mécaniques de la structure du viseur qui de par sa flexibilité transmet à la ligne de visée, voire amplifie, une partie de l’environnement mécanique auquel le viseur est soumis.

En plus de l’exigence de performance sous ces environnements, d’autres exigences doivent être prises en considération lors de la conception :

-       parce que le viseur est un équipement embarqué et/ou parce qu’il doit préserver l’intégrité de la motorisation, une exigence sur la consommation énergétique de l’étage de stabilisation est nécessaire (contrainte sur la puissance instantanée maximale, contrainte sur le courant ou la tension maximale, etc…),

-       parce que le viseur est un système de grande série, la conception de la loi de commande doit se faire sous contrainte de robustesse.

Ainsi l’automaticien doit concevoir une loi de commande unique qu’il validera sur un prototype unique, ayant un degré de robustesse suffisant pour satisfaire un cahier des charges complexe sur un grand nombre de systèmes. Pour cela, la méthodologie de développement qu’il emploie actuellement est un processus itératif expérimental (phase d’essai-erreur), qui fait grandement appel à l’expérience de l’ingénieur.

Dans cette thèse, on tente de rendre cette méthodologie de synthèse des correcteurs des asservissements de viseurs plus efficace car plus directe et donc moins couteuse en temps de développement, en calculant un correcteur final (structuré) par une attaque directe des spécifications système haut niveau.

La complexité des spécifications système haut-niveau nous pousse à l’emploi des métaheuristiques : ces techniques d’optimisation ne nécessitent pas la formulation du gradient, la seule contrainte étant la possibilité d’évaluer la spécification. Ainsi avons-nous proposé dans ce mémoire de reformuler les problèmes de commande robuste pour l’optimisation stochastique : on montre dans ce travail comment on peut synthétiser des correcteurs structurés à partir de problématiques de type H¥ ou m-synthèse et on montre que l’intérêt de l’approche formulée réside dans sa flexibilité et la prise en compte de contraintes « exotiques » complexes ; les algorithmes évolutionnaires s’avérant très performants et compétitifs, nous avons finalement développé sur cette base une méthode originale de synthèse de correcteurs structurés et robustes vis-à-vis de critères d’optimisation de forme quelconque. La validation de ces travaux a été réalisée sur des exemples industriels de viseurs.

Composition du Jury :

M. Pierre APKARIAN                          ONERA-CERT                                        Rapporteur

M. Philippe CHEVREL                          Ecole des Mines de Nantes               Professeur, Examinateur

M. Yohan COMORASSAM                  Sagem Défense Sécurité                   Examinateur

M. Gilles DUC                                       CentraleSupélec                                 Professeur, Directeur de thèse   

M. Edouard LAROCHE                        Université de Strasbourg                  Professeur des Universités, Rapporteur

M. Hugues MOUNIER                         Paris-Sud, L2S                                      Professeur des Universités, Examinateur

M. Guillaume SANDOU                      CentraleSupélec                                 Professeur, Co-encadrant

M. Michel ZASADZINSKI                     IUT de Longwy                                     Professeur des Universités, Examinateur

Consensus variant dans le temps : application à la formation de véhicules

Nohemi ALVAREZ JARQUIN
Soutenance de thèse de doctorat le 11 Juin 2015, 10h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

Les multiples applications liées aux systèmes multi-agents en réseau, tels que les satellites en formation, les oscillateurs couplés, les véhicules aériens sans pilote, entre autres, ont été, sans aucun doute, une motivation majeure dans le développement de cette thèse, qui est consacrée à l’étude du consensus de systèmes dynamiques et à la commande en formation de robots mobiles non holonomes.

Dans le contexte du consensus, nous étudions la topologie en anneau avec de liens de communication variant dans le temps. Notamment, la communication peut être perdue pendant de longs intervalles de temps. Nous donnons de conditions suffisantes pour le consensus qui restent simples à vérifier, par exemple, en utilisant le théorème du petite gain. En suite, nous abordons le problème de consensus en supposant que la topologie de communication est variable. Nous établissons que le consensus est atteint à condition qu’il existe toujours un chemin de communication du type « spanning-tree » pendant un temps de séjour minimal. L'analyse s'appuie sur la théorie de stabilité des systèmes variant dans le temps et les systèmes à commutation.

Dans le contexte de la commande en formation de véhicules autonomes nous adressons le problème de commande en suivi de trajectoire sur ligne droite en suivant une approche type maître-esclave. Nous montrons que le suivi global peut être obtenu à partir d’un contrôleur qui possède la propriété d’excitation persistante. En gros, le mécanisme de stabilisation dépend de l’excitation du système par une quantité qui est proportionnelle à l’erreur de suivi. Ensuite, la méthode est utilisée pour résoudre le problème de suivi de formation de plusieurs véhicules interconnectés sur la base d’une topologie « spanning-tree ». Nous donnons des conditions de stabilité concernant les modèles cinématique et dynamique, en utilisant la seconde méthode de Lyapunov.

 

Composition du jury

Antonio LORIA  Directeur de recherche CNRS, Laboratoire des signaux et systèmes (L2S)  Directeur de thèse

Hamel TAREK  Professeur, Laboratoire d'informatique de signaux et systèmes  Rapporteur

Nicolas MARCHAND  Directeur de recherche CNRS, Laboratoire GIPSA-lab  Rapporteur

Pascal MORIN Professeur INRIA, Institut des systèmes intelligents et de robotique  Examinateur

Véronique VÈQUE  Professeur des universités, Université Paris-Sud, Laboratoire des signaux et systèmes (L2S)  Examinateur

MIMO Radar Processing Methods for Anticipating and Compensating Real World Imperfections.

Mathieu CATTENOZ
Soutenance de thèse de doctorat le 27 Mai 2015, 10h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Ampère

Le concept du radar MIMO est prometteur en raison des nombreux avantages qu'il apporte par rapport aux architectures radars actuelles : flexibilité pour la formation de faisceau à l'émission --- large illumination de la scène et résolution fine après traitement --- et allègement de la complexité des systèmes, via la réduction du nombre d'antennes et la possibilité de transférer des fonctions de contrôle et d'étalonnage du système dans le domaine numérique. Cependant, le radar MIMO reste au stade du concept théorique, avec une prise en compte insuffisante des impacts du manque d'orthogonalité des formes d'onde et des défauts matériels.

Ce travail de thèse, dans son ambition de contribuer à ouvrir la voie vers le radar MIMO opérationnel, consiste à anticiper et compenser les défauts du monde réel par des traitements numériques. La première partie traite de l'élaboration des formes d'onde MIMO. Nous montrons que les codes de phase sont optimaux en termes de résolution spatiale. Nous présentons également leurs limites en termes d'apparition de lobes secondaires en sortie de filtre adapté. La seconde partie consiste à accepter les défauts intrinsèques des formes d'onde et proposer des traitements adaptés au modèle de signal permettant d'éliminer les lobes secondaires résiduels induits. Nous développons une extension de l'Orthogonal Matching Pursuit (OMP) qui satisfait les conditions opérationnelles, notamment par sa robustesse aux erreurs de localisation, sa faible complexité calculatoire et la non nécessité de données d'apprentissage. La troisième partie traite de la robustesse des traitements vis-à-vis des écarts au modèle de signal, et particulièrement la prévention et l'anticipation de ces phénomènes afin d'éviter des dégradations de performance. En particulier, nous proposons une méthode numérique d'étalonnage des phases des émetteurs. La dernière partie consiste à mener des expérimentations en conditions réelles avec la plateforme radar MIMO Hycam. Nous montrons que certaines distorsions subies non anticipées, même limitées en sortie de filtre adapté, peuvent impacter fortement les performances en détection des traitements dépendant du modèle de signal.

Mots-clefs : radar MIMO, forme d'onde MIMO, réduction des lobes secondaires, traitement dépendant du modèle de signal, OMP, IAA, écart au modèle, expérimentation MIMO.

Plus d’infos : www.cattenoz.wordpress.com

Composition du jury

Philippe FORSTER     Professeur (Univ. Paris-Ouest et SATIE, ENS Cachan)  (Rapporteur)
Xavier NEYT  Professeur (Ecole royale militaire, Bruxelles)  (Rapporteur)
François LE CHEVALIER  Professeur (Université de Delf et Thales)  (Examinateur)
Josef WORMS  Mathématicien (FHR, Fraunhofer-Gesellschaft) (Examinateur)
Pascal CHEVALIER  Professeur et expert (CNAM et THALES-Communications-Security)  (Examinateur)
Sylvie MARCOS  Directrice de thèse, directrice de recherche (L2S-CNRS-CentraleSupélec-UPSUD)  (Examinateur)
Laurent SAVY  Encadrant de thèse, ingénieur (ONERA) (Examinateur)
Chin Yuan CHONG Chercheuse (DSO, Singapour)  (Invité)
Erwan COMTE  Responsable ingénierie radar (Direction générale de l'armement)  (Invité)
Philippe BROUARD  Encadrant de thèse, ingénieur (ONERA)  (Invité)
Laurent CONSTANCIAS  Encadrant de thèse, ingénieur (ONERA) (Invité)

Commande prédictive hiérarchisée. Application à la commande de fours de réchauffage sidérurgiques

Xuan Manh NGUYEN
Soutenance de thèse de doctorat le 18 Mai 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

Dans l'industrie sidérurgique, les fours de réchauffage sont les plus grands consommateurs d'énergie après les hauts fourneaux. En conséquence, la réduction de leur consommation énergétique s’avère être la préoccupation majeure dans le contexte de la commande des fours. Dans un four de réchauffage de brames, des brames d'acier sont chauffées en traversant successivement plusieurs zones de la température ambiante à un profil de température homogène de 1250 °C en sortie du four, avant d’être laminées par la suite dans les laminoirs à chaud. La température des brames est contrôlée principalement par une structure de commande hiérarchisée à deux niveaux (niveau 1 et 2).

L'objectif de ces travaux est d'améliorer la performance du chauffage et en conséquence de réduire la consommation énergétique du four à l'aide d’une stratégie de commande prédictive distribuée et hiérarchisée implantées sur les deux niveaux de commande. Dans un premier temps, une approche de commande prédictive distribuée est développée pour le niveau 1 afin de suivre les consignes de température de chaque zone. L’aspect distribué de la commande permet de prendre en compte les couplages entre les zones tout en induisant une moindre complexité d’implantation par rapport à une approche totalement centralisée. L’implantation industrielle de cette stratégie a permis une amélioration significative de la précision du suivi de température et une réduction de la consommation d'énergie de 3%.

Une deuxième étape propose l’élaboration de la commande prédictive hiérarchisée du niveau 2 afin, à partir de la consigne de température de la brame, de déterminer les consignes de température optimales des zones en se fondant sur un modèle de transfert thermique du four. Les résultats de la simulation obtenus avec cette stratégie comparés aux données industrielles montrent une réduction de la consommation énergétique de 5% et une meilleure qualité de chauffage des brames. L’approche précédente est enfin étendue pour prendre en compte et optimiser le cadencement des brames au sein de la commande prédictive du niveau 2, afin d’augmenter la productivité du four. La simulation montre alors une augmentation potentielle de productivité du four de 15 tonnes par heure tout en améliorant la qualité de chauffage des brames.

 

Composition du Jury :

 

Directeur de thèse :                 Didier DUMUR                                    Professeur, CentraleSupélec

Co-encadrant :                        Fayçal LAWAYEB                               Ingénieur, ArcelorMittal

Co-encadrant :                        Pedro RODRIGUEZ-AYERBE            Professeur Adjoint, CentralSupélec

Rapporteurs :                         Edouard LAROCHE                             Professeur des Universités, Université de Strasbourg

                                               Pierre RIEDINGER                               Professeur des Universités, CRAN Nancy

Examinateurs :                       Estelle COURTIAL                               Maître de Conférences, Université d’Orléans

                                               Mohammed M’SAAD                          Professeur des Universités, GREYC Caen

                                               Dorothée NORMAND-CYROT           Directeur de Recherche CNRS, L2S Gif-sur-Yvette

Commande prédictive hiérarchisée. Application à la commande de fours de réchauffage sidérurgiques

Xuan Manh NGUYEN
Soutenance de thèse de doctorat le 18 Mai 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

Dans l'industrie sidérurgique, les fours de réchauffage sont les plus grands consommateurs d'énergie après les hauts fourneaux. En conséquence, la réduction de leur consommation énergétique s’avère être la préoccupation majeure dans le contexte de la commande des fours. Dans un four de réchauffage de brames, des brames d'acier sont chauffées en traversant successivement plusieurs zones de la température ambiante à un profil de température homogène de 1250 °C en sortie du four, avant d’être laminées par la suite dans les laminoirs à chaud. La température des brames est contrôlée principalement par une structure de commande hiérarchisée à deux niveaux (niveau 1 et 2).

L'objectif de ces travaux est d'améliorer la performance du chauffage et en conséquence de réduire la consommation énergétique du four à l'aide d’une stratégie de commande prédictive distribuée et hiérarchisée implantées sur les deux niveaux de commande. Dans un premier temps, une approche de commande prédictive distribuée est développée pour le niveau 1 afin de suivre les consignes de température de chaque zone. L’aspect distribué de la commande permet de prendre en compte les couplages entre les zones tout en induisant une moindre complexité d’implantation par rapport à une approche totalement centralisée. L’implantation industrielle de cette stratégie a permis une amélioration significative de la précision du suivi de température et une réduction de la consommation d'énergie de 3%.

Une deuxième étape propose l’élaboration de la commande prédictive hiérarchisée du niveau 2 afin, à partir de la consigne de température de la brame, de déterminer les consignes de température optimales des zones en se fondant sur un modèle de transfert thermique du four. Les résultats de la simulation obtenus avec cette stratégie comparés aux données industrielles montrent une réduction de la consommation énergétique de 5% et une meilleure qualité de chauffage des brames. L’approche précédente est enfin étendue pour prendre en compte et optimiser le cadencement des brames au sein de la commande prédictive du niveau 2, afin d’augmenter la productivité du four. La simulation montre alors une augmentation potentielle de productivité du four de 15 tonnes par heure tout en améliorant la qualité de chauffage des brames.

 

Composition du Jury :

Directeur de thèse :                 Didier DUMUR                                    Professeur, CentraleSupélec

Co-encadrant :                        Fayçal LAWAYEB                               Ingénieur, ArcelorMittal

Co-encadrant :                        Pedro RODRIGUEZ-AYERBE            Professeur Adjoint, CentralSupélec

 

Rapporteurs :                         Edouard LAROCHE                             Professeur des Universités, Université de Strasbourg

                                               Pierre RIEDINGER                               Professeur des Universités, CRAN Nancy

Examinateurs :                       Estelle COURTIAL                               Maître de Conférences, Université d’Orléans

                                               Mohammed M’SAAD                          Professeur des Universités, GREYC Caen

                                               Dorothée NORMAND-CYROT           Directeur de Recherche CNRS, L2S Gif-sur-Yvette

Approches bayésiennes en tomographie micro-ondes. Application à l'imagerie du cancer du sein

Leila GHARSALLI
Soutenance de thèse de doctorat le 10 Avril 2015, 10h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

Ce travail concerne l'imagerie micro-onde en vue d'application à l'imagerie biomédicale.  Cette technique d'imagerie a pour objectif de retrouver la distribution des propriétés diélectriques internes (permittivité diélectrique et conductivité) d'un objet inconnu illuminé par une onde interrogatrice connue à partir des mesures du champ électrique dit diffracté résultant de leur interaction.

Un tel problème constitue un problème dit inverse par opposition au problème direct associé qui consiste à calculer le champ diffracté, l'onde interrogatrice et l'objet étant alors connus.

La résolution du problème inverse nécessite la construction préalable du modèle direct associé. Celui-ci est ici basé sur une représentation intégrale de domaine des champs électriques donnant naissance à deux équations intégrales couplées dont les contreparties discrètes sont obtenues à l'aide de la méthode des moments.

En ce qui concerne le problème inverse, hormis le fait que les équations physiques qui interviennent dans sa modélisation directe le rendent non-linéaire, il est également mathématiquement mal posé au sens de Hadamard, ce qui signifie que les conditions d'existence, d'unicité et de stabilité de la solution ne sont pas simultanément garanties. La résolution d'un tel problème nécessite sa régularisation préalable qui consiste généralement en l'introduction d'information a priori sur la solution recherchée. Cette résolution est effectuée, ici, dans un cadre probabiliste bayésien où l'on introduit une connaissance a priori adaptée à l'objet sous test et qui consiste à considérer ce dernier comme étant composé d'un nombre fini de matériaux homogènes distribués dans des régions compactes. Cet information est introduite par le biais d'un modèle de « Gauss-Markov-Potts ». Le calcul bayésien nous donne la loi a posteriori de toutes les inconnues à partir de laquelle on peut définir les estimateurs ponctuels. On s'attache ensuite à déterminer les estimateurs a posteriori via des méthodes d'approximation variationnelles et à reconstruire ainsi l'image de l'objet recherché.

Les principales contributions de ce travail sont d'ordre méthodologique et algorithmique. Elles sont illustrées par une application de l'imagerie micro-onde à l'imagerie du cancer du sein. Cette dernière constitue en soi un point très important et original de la thèse. En effet, l'imagerie du cancer du sein par la technique micro-onde est une alternative très intéressante à la mammographie par rayons X, mais n'en est encore qu'à un stade exploratoire.

Membres du jury:

Directeur de thèse   Mr Duchêne Bernard  Chargé de recherche, CNRS
Co-directeur de thèse   Mr Mohammad-Djafari Ali   Directeur de recherche, CNRS
Encadrant   Mr Ayasso Hacheme  Maître de conférences à l'Université de Grenoble
Rapporteurs  Mme Litman Amélie  Maître de conférences à l'Université d'Aix-Marseille
                    Mr Massa Andréa  Professeur à l'Université de Trento, Italie
Examinateurs  Mme Blanc-Feraud Laure  Directrice de recherche, CNRS
                      Mr Pichot du Mezeray Christian  Directeur de recherche, CNRS

Nonlinear control and stability analysis of multi-terminal high voltage direct current (HVDC) networks

Yijing Chen
Soutenance de thèse de doctorat le 8 Avril 2015, 10h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle des séminaires du L2S

The research work in this dissertation was started with the intention of filling some gaps between the theory and the practice, in particular: 1) to investigate various control approaches for the purpose of improving the performance of MTDC systems; 2) to establish connections between existing empirical control design and theoretical analysis; 3) to improve the understanding of the multi-time-scale behavior of MTDC systems characterized by the presence of slow and fast transients in response to external disturbances.

The main contributions of this thesis work are put into three areas, namely nonlinear control design of MTDC systems, analysis of MTDC system's dynamic behaviors and application of MTDC systems for frequency control of AC systems.

In the area of nonlinear control design of MTDC systems, based on different nonlinear control design techniques, new control schemes have been proposed with corresponding theoretical analysis. Besides, the developed control algorithms have been tested by numerical simulations, whose performances are evaluated in comparison to the performance of the conventional vector control method.

The contribution in the area of analyzing MTDC system's dynamic behaviors consists of three parts:1) control induced time-scale separation for a class of nonlinear systems;2) analysis of time-scale separation for an MTDC system with master-slave control configuration;3) analysis of time-scale separation for an MTDC system with droop control configuration.Theoretical analysis mainly based on singular perturbation and Lyapunov theories, have been carried out for each of the aforementioned aspects and confirmed by various simulation studies.

The final contribution relates to the application of MTDC systems where frequency support strategy using MTDC systems has been introduced and analyzed.The principle of the frequency control is to regulate the AC frequency by modulating each AC grid's scheduled (or prescribed) active power.A DC-voltage-based control scheme for the AC frequency regulation is proposed, which achieves the objective of sharing primary reserves between different AC areas interconnected via an MTDC system without using remote information communication.

Membres du jury:

Directeur de thèse :  Dr. LAMNABHI-LAGARRIGUE  Françoise  Directeur de recherche, CNRS
Encadrant:   Dr. DAMM Gilney  Maitre de Conférences, HDR, Université d'Evry-Val-d’Essonne
Co-encadrant :  Dr. BENCHAIB  Abdelkrim  Ingénieur de recherche, HDR, Alstom
Rapporteurs:  Dr. ANNASWAMY Anuradha  Senior Research Scientist, MIT, USA
                     Prof. GIRI Fouad  Professeur à l'Université de Caen Basse-Normandie, France
Examinateurs :  Prof. GLUMINEAU  Alain  Professeur à l'Ecole Centrale de Nantes, France
                        Prof. MARINO Riccardo  Università di Roma Tor Vergata, Italie

Hierarchical control scheme for multi-terminal high voltage direct current power networks.

Miguel JIMÉNEZ CARRIZOSA
Soutenance de thèse de doctorat le 7 Avril 2015, 10h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

This thesis focuses on the hierarchical control for a multi-terminal high voltage direct current (MT-HVDC) grid suitable for the integration of large scale renewable energy sources. The proposed control scheme is composed of 4 layers, from the low local control at the power converters in the time scale of units of ms; through distributed droop control (primary control) applied in several terminals in the scale of unit of seconds; and then to communication based Model Predictive Control (MPC) that assures the load flow and the steady state voltage/power plan for the whole system, manage large scale storage and include weather forecast (secondary control); finally reaching the higher level controller that is mostly based on optimization techniques, where economic aspects are considered in the same time as longer timespan weather forecast (tertiary control).

Concerning the converters' level, special emphasis is placed on DC/DC bidirectional converters. The main task of these devices is to link several DC grids with different voltages, in analogous form as the use of transformers for AC grids. In this thesis, three different topologies are studied in depth: two phases dual active bridge (DAB), the three phases DAB, and the use of the Modular Multilevel Converter (MMC) technology as DC/DC converter. For each topology a specific non-linear control is presented and discussed. In addition, the DC/DC converter can provide other important services as its use as a direct current circuit breaker (DC-CB), which is a capital device for the future development of MT-HVDC networks. This is possible thanks to the fact that the DC-DC converters studied here include an AC stage, and therefore there exist instants in which the current passes through zero, and consequently we can open the switches when a fault occurs in the network in a safer way. Several operation strategies are studied for these topologies used as DC-CB.

With respect to primary control, which is the responsible to maintain the DC voltage control of the grid, we have studied several control philosophies: master/slave, voltage margin control and droop control. Finally we have chosen to use droop control, among other reasons, because the communication between nodes is not required. Two different approaches have been studied for the droop control. Firstly, we have considered that dynamics of converters (AC/DC) are negligible (too fast compared to the network), and in a second step, based on these _rst results, we have studied the dynamics of droop control coupled to the AC/DC converters. Voltage source converters (VSC) are used as AC/DC converters in this approach.

Relative to the secondary control, its main goal is to schedule power transfer between the network nodes providing voltage and power references to local and primary controllers, providing steady state response to disturbances and managing power reserves. In this part we have proposed a new approach to solve the power flow problem (non-linear equations) based on the contraction mapping theorem, which gives the possibility to use more than one bus for the power balance (slack bus) instead of the classic approach based on the Newton-Raphson (NR) method. In addition with the method prosed in this thesis the unique existence of solution is guarantee when some feasible constraints are fulfilled. Secondary control plays a very important role in practical applications, in particular when including time varying power sources, as renewable ones. In such cases, it is interesting to consider storage devices in order to improve the stability and the efficiency of the whole system. Due to the sample time of secondary control is on the order of minutes, it is also possible to consider different kinds of forecast (weather, load,..) and to achieve additional control objectives, based on managing storage reserves. All these characteristics encourage the use of a model predictive control (MPC) approach to design this task. In this context, several possibilities of optimization objective were considered, like to minimize transmission losses or to avoid power network congestions.

The main task of tertiary control is to manage the load flow of the whole HVDC grid in order to achieve economical optimization, especially relevant with the presence of storage devices. This control level provides power references to the secondary controller. In this thesis we were able to maximize the economic profit of the system by acting on the spot market, and by optimizing the use of storage devices. In this level it is again used the MPC approach, but acting in a higher time scale, and in a complementary way of the secondary objectives. With the aim of implementing the hierarchical control philosophy ex-plained in this thesis, we have built an experimental test bench. This platform has 4 terminals interconnected via a DC grid, and connected to the main AC grid through VSC power converters. This DC grid can work at a maximum of 400 V, and with a maximum allowed current of 15 A. The local VSC converters are controlled by the dSPACE software package. Also, in this network a supervisor PC (secondary controller) is included, which communicates with each dSPACE software of each VSC through a National Instruments CompactRIO programmable automation controller, which combines embedded real-time and FPGA technology, thought a local area network (internet).

Composition du jury:

Dr. Françoise Lamnabhi-Lagarrigue    L2S-CNRS, CentraleSupélec (Directrice)
Dr. Gilney Damm  L2S (Co-encadrant)
Dr. Abdelkrim Benchaib  ALSTOM GRID  (Co-encadrant)
Prof. Séddik Bacha  Université de Grenoble Alpes  (Rapporteur)
Prof. Aleksandar Stankovic  TUFTS University  (Rapporteur)
Dr. Jean-Luc Thomas  CNAM  (Examinateur)
Dr. Adrià Junyent Ferré  Imperial College London  (Examinateur)
Dr. Fernando Dorado Navas  Universidad de Sevilla  (Examinateur)
M. Stéphan Lelaidier  ALSTOM GRID  (Invité)

Réduction active des excitations NVH d’une machine électrique par la stratégie de commande

Maud GEOFFRIAULT
Soutenance de thèse de doctorat le 2 Mars 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le contexte du développement de groupes motopropulseurs électriques pour véhicules automobiles. Ces développements ont mis en lumière les problématiques liées aux phénomènes acoustiques et vibratoires des machines électriques, spécifiques à l'application automobile. L'objectif de ces travaux est la mise en place de lois de commande dédiées à la réduction d'harmoniques de courant à l'origine d'harmoniques vibratoires.
Pour cela, les différents éléments du système ont été modélisés, puis les paramètres du modèle électrique de la machine ont été recalés au moyen de mesures expérimentales.
Deux stratégies de commande ont ensuite été développées puis mises en place. D'une part, un régulateur dédié à l'harmonique de courant visé a été synthétisé par optimisation Hinfini. D'autre part, la modélisation de l'origine de cet harmonique comme provenant d'un signal perturbateur externe a permis la compensation de celui-ci au moyen d'un observateur. La robustesse des lois de commande a été analysée vis-à-vis des variations des modèles nominaux.
L'efficacité de ces deux stratégies sur la réduction des harmoniques de courant visés et des harmoniques vibratoires correspondants a été validée expérimentalement sur banc d'essai.

Composition du Jury :

M. Michel BASSET                           Université de Haute-Alsace              Rapporteur

M. Dominique BEAUVOIS                  CentraleSupélec                                 Professeur - Co-encadrant

M. Demba DIALLO                              Université Paris-Sud                           Examinateur        

M. Gwennaël FAVENNEC                   Ingénieur Renault                               Ingénieur – Co-encadrant

M. Emmanuel GODOY                        CentraleSupélec                                 Professeur – Directeur de la thèse

M. Mickaël HILAIRET                          Université de Franche Comté           Rapporteur

M. Louis HUMBERT                             Ingénieur BMW                                  Examinateur

M. Vincent LANFRANCHI              Université Technologique   de Compiègne            Examinateur

Robust nonlinear control from continuous time to sampled-data with aerospace applications.

Giovanni MATTEI
Soutenance de thèse de doctorat le 13 Février 2015, 10h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Ampère

La thèse porte sur le développement des techniques non linéaires robustes de stabilisation et commande des systèmes avec perturbations de modèle. D’abord, on introduit les concepts de base de stabilité et stabilisabilité robuste dans le contexte des systèmes non linéaires. Ensuite, on présente une méthodologie de stabilisation par retour d’état en présence d’incertitudes qui ne sont pas dans l’image de la commande («unmatched»). L’approche récursive du «backstepping» permet de compenser les perturbations «unmatched» et de construire une fonction de Lyapunov contrôlée robuste, utilisable pour le calcul ultérieur d’un compensateur des incertitudes dans l’image de la commande («matched»). Le contrôleur obtenu est appelé «recursive Lyapunov redesign». Ensuite, on introduit la technique de stabilisation par «Immersion & Invariance» comme outil pour rendre un contrôleur non linéaire, robuste par rapport à des dynamiques non modelées. La première technique de contrôle non linéaire robuste proposée est appliquée au projet d’un autopilote pour un missile air-air et au développement d’une loi de commande d’attitude pour un satellite avec appendices flexibles. L’efficacité du «recursive Lyapunov redesign» est mis en évidence dans les deux cas d’étude considérés. En parallèle, on propose une méthode systématique de calcul des termes incertains basée sur un modèle déterministe d’incertitude. La partie finale du travail de thèse est relative à la stabilisation des systèmes sous échantillonnage. En particulier, on reformule, dans le contexte digital, la technique d’Immersion et Invariance. En premier lieu, on propose des solutions constructives en temps continu dans le cas d’une classe spéciale des systèmes en forme triangulaire «feedback form», au moyen de «backstepping» et d’arguments de domination non linéaire. L’implantation numérique est basée sur une loi multi-échelles, dont l’existence est garantie pour la classe des systèmes considérée. Le contrôleur digital assure la propriété d’attractivité et des trajectoires bornées. La loi de commande, calculée par approximation finie d’un développement asymptotique, est validée en simulation de deux exemples académiques.

Composition du jury    
Prof. Salvatore MONACO, Università La Sapienza - DIAG "Antonio Ruberti" (Directeur)
Dr. Dorothée NORMAND-CYROT, L2S-CNRS, Supélec                               (Directeur)
Prof. Jean-Pierre BARBOT, ENSEA Cergy Pontoise (Rapporteur)
Prof. Giovanni ULIVI, DIA Università degli Studi Roma Tre (Rapporteur)
Prof. Stefano BATTILOTTI, Università La Sapienza - DIAG "Antonio Ruberti" (Examinateur)
Dr. Vincent FROMION, INRA Jouy en Josas (Examinateur)
Dr. Romeo ORTEGA, L2S-CNRS, Supélec (Examinateur)
Dr. Silviu NICULESCU, L2S-CNRS, Supélec (Invité)

 

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