Deux problèmes de contrôle géométrique: Holonomie Horizontale et Solveur d'esquisse

Boutheina HAFASSA
Soutenance de thèse de doctorat le 13 Janvier 2016, 13h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

 

 

Composition du Jury:

M. Yacine CHITOUR                     Université Paris Sud, Université Paris-Saclay       Directeur de thèse

Mme Najoua GAMARA                  FST, Université de Tunis ELManar                       Co-directeur de thèse

M. Frédéric JEAN                         ENSTA ParisTech                                               Co-encadrant

M. Mario SIGALOTTI                    INRIA Saclay-Île-de-France                                Co-encadrant

M.Emmanuel TRELAT                   Université Pierre et Marie Curie (Paris 6)             Rapporteur

M. Grégorie CHARLOT                  Université Joseph Fourier                                   Rapporteur

Mme Nabila TORKI-HAMZA           Université de Kairouan                                      Examinateur

M. Jean-Baptiste POMET               Université de Nice Sophia-Antipolis                    Examinateur

Exploitation des mesures électriques en vue de la surveillance et du diagnostic en temps réel des piles à combustible pour application transport automobile

Miassa TALEB
Soutenance de thèse de doctorat le 30 Novembre 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

Dans le contexte énergétique mondial actuel, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons constituent une solution prometteuse au futur développement d'une nouvelle génération de véhicules électrifiés, permettant une autonomie plus importante que celle des véhicules électrifiés à batteries. Néanmoins, le développement à grand échelle des piles à combustible reste à ce jour limité en raison de certains verrous technologiques, tel que la gestion de l'eau. Afin de permettre une production de masse des piles à combustible, de tels problèmes doivent être résolus. Plusieurs axes de travail peuvent être envisagés, tant sur les aspects matériels sur la structure de la pile, que du point de vue de la commande en développant des outils algorithmiques permettant le suivi de l'état de fonctionnement du système en vue de détecter les défaillances éventuelles, ou la dégradation des conditions de fonctionnement, et permettre ainsi d'y apporter une solution au moyen du système de commande ou de supervision. Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans cette seconde approche et portent plus particulièrement sur la mise en évidence des phénomènes d'engorgement ou d'asséchement du cœur de pile afin de diagnostiquer les éventuels problèmes d'hydratation conduisant à la réduction du rendement, à la diminution des performances ou encore à un vieillissement prématuré. Les méthodes développées au cours de ces travaux se fondent sur des stratégies de suivi de paramètres significatifs d'un modèle de pile dont les évolutions, comparativement à des valeurs de référence, sont caractéristiques de l'état hydratation du cœur de pile. Le suivi en temps réel de ces paramètres permet ainsi de mettre en évidence les phénomènes d'engorgement ou d'asséchement du cœur de pile. Les modèles adoptés pour ces travaux font appel à une représentation de l'impédance électrique de la pile. Ainsi, en suivant cette approche, la stratégie adoptée se fonde alors sur le développement de deux modèles de type circuit électrique : un modèle d'ordre entier puis un modèle d'ordre fractionnaire. Cette deuxième formulation des modèles, plus proche de la réalité physique des phénomènes de transports se produisant au cœur de pile, permet une meilleure représentation de la pile tant du point de vue temporel que fréquentiel. En effet, les analyses effectuées en utilisant des résultats expérimentaux obtenus au moyen d'une cellule de pile (surface active de 100 cm2 conçue par la société UBzM) ont permis de valider que le modèle d'ordre fractionnaire, en contrepartie d'une augmentation de la complexité, permet de mieux reproduire d'une part les résultats temporels de la pile (suivi de tension pour un profil de courant donnée), d'autre part une meilleure approximation de l'impédance mesurée. Des méthodes d'identification paramétrique, conventionnelles et adaptées aux systèmes d'ordre fractionnaire, sont ensuite utilisées afin d’extraire les paramètres des modèles développés à partir de données expérimentales temporelles (tension/courant de la pile), ou fréquentielles (spectroscopie d'impédance). Une étude de sensibilité permet alors de définir les paramètres les plus indicatifs des phénomènes d'engorgement et d'assèchement. L'évolution de ces paramètres, associés à la tension et le spectre d'impédance de la pile, sont alors combinés afin de construire une stratégie de diagnostic de l’engorgement et de l’asséchement du cœur de pile.

Mots-clés : Pile à combustible,Identification paramétrique,Modélisation,Diagnostic,PEMFC

Jury:

M. Emmanuel GODOY                  CentraleSupélec                        Directeur de thèse
M. Olivier BéTHOUX                      GeePs                                          Co-encadrant de thèse
M. Maurice FADEL                          ENSEEIHT/INPT                       Rapporteur
M. Malek GHANES                         ECS-Lab / ENSEA                     Examinateur
M. Michael HILAIRET                     Université de Franche Comté,FEMTO/ST, FCLAB                   Rapporteur
Mme Xuefang LIN SHI                   Institut national des sciences appliquées(INSA) Lyon, Laboratoire Ampère (CNRS UMR 5005)                                Examinateur
Mme Dorothée NORMAND-CYROT  L2S-CNRS-CentraleSupélec        Examinateur

Explicit robust constrained control for linear systems : analysis, implementation and design based on optimization

Ngoc Anh NGUYEN
Soutenance de thèse de doctorat le 26 Novembre 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

Les lois de commande affines par morceaux ont attiré une grande attention de la communauté Automatique grâce à leur pertinence pour la commande de systèmes sous contraints ou  hybrides; mais également pour l'approximation de lois de commande nonlinéaires. Pourtant, leur mise en œuvre est soumise à quelques difficultés. Motivé par les défis liés à cette classe de commandes, cette thèse porte sur leur analyse, mise en œuvre et synthèse.

La première partie de cette thèse a pour but le calcul de la marge de robustesse et de la marge de fragilité pour une loi de commande affine par morceaux prédéfinie et un système linéaire discret. Plus précisément, la marge de robustesse est définie comme l'ensemble des systèmes linéaires à paramètres variants que la loi PWA donnée peut commander en boucle fermée pour maintenir les trajectoires dans la région faisable. D'ailleurs, la marge de fragilité comprend toutes les variations des coefficients de la commande donnée telle que l'invariance de la région faisable soit encore garantie. Il est montré que si la région faisable donnée est un polytope, ces marges sont aussi des polytopes.

La deuxième partie de ce manuscrit est consacrée au problème de l'optimalité inverse pour la classe des fonctions affines par morceaux. C'est-à-dire, l'objective est de définir un problème d'optimisation pour lequel la solution optimale est équivalente à la fonction affine par morceaux donnée. La méthodologie est fondée sur le convex lifting, i.e., un variable auxiliaire, scalaire, qui permet de définir un ensemble convex à partir de la partition de paramètres de la fonction affine par morceaux donnée. Il est montré que si la fonction affine par morceaux donnée est continue, la solution optimale de ce problème redéfini sera unique. Par contre, si la continuité n'est pas satisfaite, cette fonction affine par morceaux sera une solution optimale parmi les autres du problème redéfini.

En ce qui concerne l'application dans la commande prédictive, il sera montré que n'importe quelle loi de commande affine par morceaux continue peut être obtenue par un autre problème de commande prédictive avec l'horizon de prédiction au plus égal à 2. A côté de cet aspect théorique, ce résultat sera utile pour faciliter la mise en œuvre des lois de commandes affines par morceaux en évitant l'enregistrement de la partition de l'espace d'état.

Composition du Jury :

Professor, Miroslav Fikar                                      Slovak University of Technology in Bratislava                            Rapporteur
Doctor,     Maria Seron                                          University of Newcastle                                                                   Rapportrice
Professor, Tor Arne Johansen                             Norwegian University of Science and Technology                    Examinateur
Professor, Luca Zaccarian                                   LAAS--CNRS, Toulouse                                                                  Examinateur
Doctor,     Vivek Dua                                              University College London                                                             Examinateur
Professor, Antoine Girard                                     Laboratoire de Signaux et Systèmes                                            Examinateur
Professor, Sorin Olaru                                           Laboratoire de Signaux et Systèmes, CentraleSupelec           Directeur de thèse
Professor, Pedro Rodriguez-Ayerbe                  Laboratoire de Signaux et Systèmes, CentraleSupelec           Co-encadrant de thèse

 

Mots-clés :

Model predictive control, convex liftings, inverse optimality, piecewise affine functions.

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.

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

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

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

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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