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Analyse et commande de systèmes multivariables Application à un turbopropulseur

Christophe LE BRUN
Thesis defended on June 26, 2015, 2:00 PM at 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
Thesis defended on June 16, 2015, 2:00 PM at 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
Thesis defended on June 16, 2015, 2:00 PM at 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

Time-varying consensus: application to formation control of vehicles

Nohemi ALVAREZ JARQUIN
Thesis defended on June 11, 2015, 10:30 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

The multiple applications related to networked multi-agent systems such as satellite formation flying, coupled oscillators, air traffic control, unmanned air vehicles, cooperative transport, among others, has been undoubtedly a watershed for the development of this thesis. The study of cooperative control of multi-agent systems is of great interest for his extensive field work and applications. This thesis is devoted to the study of consensus seeking of multi-agents systems and trajectory tracking of nonholonomic mobile robots.

In the context of consensus seeking, first we study a ring topology of dynamic agents with time-dependent communication links which may disconnect for long intervals of time. Simple checkable conditions are obtained by using small-gain theorem to guarantee the achievement of consensus. Then, we deal with a network of dynamic agents with time-dependent communication links interconnected over a time-varying topology. We establish that consensus is reached provided that there always exists a spanning tree for a minimal dwell-time by using stability theory of time-varying and switched systems.

In the context of trajectory tracking, we investigate a simple leader-follower tracking controller for autonomous vehicles following straight lines. We show that global tracking may be achieved by a controller which has a property of persistency of excitation tailored for nonlinear systems. Roughly speaking the stabilisation mechanism relies on exciting the system by an amount that is proportional to the tracking error. Moreover, the method is used to solve the problem of formation tracking of multiple vehicles interconnected on the basis of a spanning-tree topology. We derive stability conditions for the kinematic and dynamic model by using a Lyapunov approach.

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
Thesis defended on May 27, 2015, 10:00 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Ampère

The MIMO radar concept promises numerous advantages compared to today's radar architectures: flexibility for the transmitting beampattern design -- including wide scene illumination and fine resolution after processing -- and system complexity reduction, through the use of less antennas and the possibility to transfer system control and calibration to the digital domain. However, the MIMO radar is still at the stage of theoretical concept, with insufficient consideration for the impacts of waveforms' lack of orthogonality and system hardware imperfections.

The ambition of this thesis is to contribute to paving the way to the operational MIMO radar. In this perspective, this thesis work consists in anticipating and compensating the imperfections of the real world with processing techniques. The first part deals with MIMO waveform design and we show that phase code waveforms are optimal in terms of spatial resolution. We also exhibit their limits in terms of sidelobes appearance at matched filter output. The second part consists in taking on the waveform intrinsic imperfections and proposing data-dependent processing schemes for the rejection of the induced residual sidelobes. We develop an extension for the Orthogonal Matching Pursuit (OMP) that satisfies operational requirements, especially localization error robustness, low computation complexity, and nonnecessity of training data. The third part deals with processing robustness to signal model mismatch, especially how it can be prevented or anticipated to avoid performance degradation. In particular, we propose a digital method of transmitter phase calibration. The last part consists in carrying out experiments in real conditions with the Hycam MIMO radar testbed. We exhibit that some unanticipated encountered distortions, even when limited at the matched filter output, can greatly impact the performance in detection of the data-dependent processing methods.

Keywords: MIMO radar, MIMO waveform, sidelobe mitigation, data-dependent processing, OMP, IAA, model mismatch, MIMO experiment.

More info: 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
Thesis defended on May 18, 2015, 2:00 PM at 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
Thesis defended on May 18, 2015, 2:00 PM at 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
Thesis defended on April 10, 2015, 10:30 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

This work concerns microwave tomography for application to biomedical imaging. The aim is to retreive both permittivity and conductivity of an unknown object from measurements of the scattered field that results from its interaction with a known interrogating wave. Such a problem is denoted as ``the inverse problem'' as opposed to the associated forward problem that consists of calculating the scattered field while the interrogating wave and the object are known.

The resolution of the inverse problem requires the prior construction of the associated forward model. The latter is based upon an integral representation of the electric field resulting in two coupled integral equations whose discrete counterparts are obtained by means of the method of moments.

Regarding the inverse problem, in addition to the fact that the physical equations involved in the forward modeling make it nonlinear, it is also mathematically ill-posed in the sense of Hadamard, which means that the conditions of existence, uniqueness and stability of its solution are not simultaneously guaranteed. Hence, solving this problem requires its prior regularization which usually involves the introduction of a priori information on the sought solution. This resolution is done here in a Bayesian probabilistic framework where we introduce prior knowledge appropriate to the sought object by considering that the latter is composed of a finite number of homogeneous materials distributed into compact and homogeneous regions. This information is introduced by means of a "Gauss-Markov-Potts" model. In addition, Bayesian computations yield the posterior distribution of all the unknowns from which we can define the point estimators. We proceed then to identify the posterior estimators via variational approximation methods and thereby to reconstruct images of the thought object.

The main contributions of this work are methodological and algorithmic. They are illustrated by an application of microwave tomography to breast cancer imaging. The latter is in itself a very important and original aspect of the thesis. Indeed, imaging of breast cancer using microwaves is a very interesting alternative to X-ray mammography, but it is still at an exploratory stage.

Members:

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
Thesis defended on April 08, 2015, 10:30 AM at 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
Thesis defended on April 07, 2015, 10:30 AM at 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
Thesis defended on March 02, 2015, 2:00 PM at 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
Thesis defended on February 13, 2015, 10:30 AM at 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)

 

Développement de nouvelles méthodes itératives de reconstruction tomographique pour réduction des artefacts métalliques et réduction de la dose en imagerie dentaire

Long Chen
Thesis defended on February 05, 2015, 2:30 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle des séminaires du L2S

This thesis contains two main themes: development of new iterative approaches for metal artifact reduction (MAR) and for dose reduction in dental CT (Computed Tomography). The metal artifacts are mainly from the beam-hardening, scatter and photon starvation in case of metal in contrast background like metallic dental implants in teeth. The first issue concerns about data correction on account of these effects. The second theme is contributed to reduce the radiation dose delivered to a patient by decreasing the number of the projections.

At first, for the purpose of the metal artifacts reduction, the polychromatic spectra of X-ray beam and scatter can be modeled by a non-linear direct modeling in the statistical methods. But the reconstruction by statistical methods is much time consuming. Consequently, we proposed an iterative algorithm with a linear direct modeling based on data correction (beam-hardening and scatter). We introduced a new beam-hardening correction without knowledge of the spectra of X-ray source and the linear attenuation coefficients of the materials and a new scatter estimation method based on the measurements as well.

Later, we continued to study the iterative approaches of dose reduction since the over-exposition or unnecessary exposition of irradiation during a scan has increased the patient's risk of radio-induced cancer. In practice, it may be interesting that one can reconstruct an object larger than the field of view of scanner. We proposed an iterative algorithm on super-short-scans on multiple scans in this case, which contain a minimal set of the projections for an optimal dose. Furthermore, we introduced a new scanning mode of variant angular sampling for reducing the number of projections on a single scan, which was adapted to the properties and predefined interesting regions of the scanned object. It needed fewer projections than the standard scanning mode of uniform angular sampling to reconstruct the objet correctly.

All of our approaches for MAR and dose reduction has been evaluated on real data. Thanks to our MAR methods, the quality of reconstructed images was improved notablely. Besides il did not introduce some new artifacts compared to the MAR methode of state of art NMAR [Meyer et al 2010]. We could reduce obviously the projection number with the proposed new scanning mode and schema of super-short-scans on multiple scans in particular case.

Membres du jury    
Directeur de thèse Mr RODET Thomas Professeur, ENS Cachan, SATIE
Co-encadrant Mr. GAC Nicolas Maître de conférences, Université Paris-Sud, L2S
Rapporteurs Mr. DESBAT Laurent Professeur des universités, Université Joseph Fourier
  Mr. BLEUET Pierre Ingénieur de recherche CEA, HDR
Examinateurs Mme NGUYEN-VERGER Maï Professeur des universités, Université de Cergy-Pontoise
  Mme MARCOS Sylvie Directeur de recherche, CNRS
Invitée Mme MAURY Colombe Ingénieur de recherche, Trophy, Carestream Dental

 

Structure d'information, stratégies de communication et application aux réseaux distribués

Speaker: 
Benjamin LARROUSSE
Date: 
Thu, 12/11/2014 -
14:00 to 16:00
Lieu: 
Telecom ParisTech (Paris)salle F502
 Membres du jury
Eitan Altman INRIA Sophia-Antipolis (Examinateur)
Jean-Claure Belfiore

Stabilité et stabilisation de diverses classes de systèmes fractionnaires et à retards

Speaker: 
Le Ha Vy Nguyen
Date: 
Tue, 12/09/2014 -
10:30 to 12:00
Lieu: 
Supelec Amphi Ampère

Membres du jury     
    
Directrice de thèse     Catherine BONNET     Directrice de Recherche (Inria Saclay - Île-de-France)

Rapporteurs               Jean Jacques LOISEAU     Directeur de Recherche, IRCCyN

                                      Jonathan PARTINGTON     Professeur, University of Leeds, U.K

Examinateurs             Laurent LEFEVRE     Professeur, Grenoble INP - Esisar

                                      Denis MATIGNON     Professeur, Université de Toulouse

Synchronization analysis of complex networks of nonlinear oscillators

Speaker: 
Ali EL ATI
Date: 
Thu, 12/04/2014 -
14:30 to 16:00
Lieu: 
Supélec Amphi Ferrie

Membres du jury : 

 

Directeurs de thèse : 
Antonio LORIA : Directeur de Recherche CNRS, LSS
Elena PANTELEY : Chargée de Recherche CNRS, LSS

Algorithmes bayésiens variationnels accélérés et applications aux problèmes inverses de grande taille

Speaker: 
Yuling ZHENG
Date: 
Thu, 12/04/2014 -
10:30 to 12:00
Lieu: 
Supélec Amphi C2

Membres du jury:

 

"Inversion de données électromagnétiques par algorithme génétique pour la télédétection en zone forestière."

Speaker: 
Mahmoud KANJ
Date: 
Fri, 11/28/2014 -
14:30 to 16:30
Lieu: 
Supélec Amphi F3-06
Andrea MASSA Professeur, University of Trento, ELEDIA

Méthodes Statistiques pour la Détection et le Diagnostic des Défauts Naissants utilisant la Divergence de Kullback-Leibler : de la Théorie à l'Application

Speaker: 
Jinane HARMOUCHE
Date: 
Thu, 11/20/2014 -
14:00 to 16:00
Lieu: 
Supelec Amphi Ampère

Jury:

Guy CLERC

Professeur

Laboratoire Ampère (rapporteur)

François AUGER

Professeur 

IREENA (rapporteur)

Nadine MARTIN

Roulement de Variétés Différentielles de Dimensions Quelconques

Speaker: 
Amina MORTADA
Date: 
Tue, 11/18/2014 -
10:00 to 12:00
Lieu: 
IHP

Composition du jury :

Directeurs de thèse :M. Yacine CHITOUR    (Uni. Paris-Sud, LSS) 

                              M. Ali WEHBE   (Uni. Libanaise)                              

Co-encadrant : Petri KOKKONEN   (Varian Medical Systems)                                 

Rapporteurs : Mme Irina MARKINA  (Uni. de Bergen)                         

                     M. Frédéric JEAN (ENSTA-ParisTech)                             

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