Résumé: La maintenance des structures aéronautiques (fuselage, ailes) est une opération majeure très onéreuse. Elle requiert l'immobilisation des appareils ainsi que le démontage de certaines de leurs parties afin de procéder à leur inspection. Pour permettre une surveillance in situ, des capteurs et actionneurs ont peu à peu été intégrés aux structures aéronautiques. L'utilisation de capteurs et actionneurs sans fil est attirante du fait qu'elle n'implique pas de câblage des noeuds (gain de poids et de coût). Ces noeuds doivent néanmoins être auto-alimentés afin d'être réellement viables_ L'idée est donc de convertir l'énergie mécanique (vibrations) disponible dans les structures d'avions en électricité en utilisant des matériaux piézoélectriques. Les travaux effectués dans ce mémoire permettent d'évaluer le potentiel des récupérateurs d'énergie basés sur les déformations (différents des récupérateurs inertiels) pour alimenter des noeuds sans fil embarqués sur des structures d'avions. Pour cela, des modèles simples sont utilisés pour décrire le comportement dynamique typique des parties de l'avion : une poutre représente l'aile soumise à des charges aérodynamiques et une plaque représente un panneau de fuselage soumis à des champs de pression (bruit de jet et couche limite turbulente). Des matériaux piézoélectriques aussi différents que le PZT monolithique, le composite piézo-fibres et le Polyfluorure de Vinylidêne (PVDF) sont testés dans le but d'évaluer l'influence de leurs caractéristiques (taille, polarisation, capacité, forme des électrodes...) sur la puissance électrique récupérée. Les résultats montrent que pour une excitation aéronautique typique de la poutre (10 Hz et 56 udef), l'énergie produite est de l'ordre de 40 mi pour le PZT monolithique pour une durée de charge de 7 minutes. D'après la littérature, cette énergie est suffisante pour faire des transmissions RF (25 pi). Mais pour d'autres types d'excitations (par exemple le buit de bruit de jet des réacteurs d'avion), il faudra 25 minutes pour produire une énergie de 1 mJ pour le même type de piézoélectrique. L'inconvénient est qu'il faudra attendre de nombreuses secondes avant de charger la batterie du récupérateur d'énergie. Si l'on considère que plusieurs autres organes devront consommer de l'énergie en parallèle, le temps en chaque cycle pourra être de plusieurs minutes. Par conséquent, les récupérateurs d'énergie basés sur les déformations peuvent être utilisés pour alimenter des nœuds sans fil même s'ils ne permettent pas des mesures en temps réel. Cependant, cette approche est une manière simple et pratique de collecter de l'énergie que les autres types de récupérateurs (inertiel, solaire...) puisqu'elle nécessite seulement le collage du matériau piézoélectrique sur la surface vibrante. Enfin, il en ressortira des conseils de dimensionnement pour ce type de récupérateur afin d'en optimiser l'utilisation à partir d'une excitation donnée.||Abstract: Aerospace structural maintenance (fuselage, wings) is a major component of operational costs which requires aircraft to be grounded and some of its parts to be dismantled in order to proceed to inspection. In order to allow in situ monitoring, Structural Health Monitoring (SHM) has been proposed where sensors and actuators are integrated on the structure. To avoid extensive wiring of the nodes, wireless sensors and actuators are attractive but should be self powered to fully benefit from them. One idea is to convert the mechanical energy (vibrations) available all over an aircraft into electricity using piezoelectric materials. This work investigates the potential of strain-based energy harvesters (as opposed to inertial harvesters) to supply wireless nodes on typical aircraft structures. A simple model is used to describe typical dynamic behavior of aircraft components: a beam representing the whole wing subjected to aerodynamic loading and a plate representing a fuselage panel subjected to pressure fields (jet noise and turbulent boundary layer). Various configurations of piezoelectric materials are tested such as bulk PZT, PZT fiber composite and Polyvinylidene Fluoride (PVDF) in order to evaluate the influence of their characteristics (size, polarization, electrodes' shape, capacitance...) on the harvested power. The results show that for a typical aerospace excitation of the beam (10 Hz and 56 mudef), the energy produced is up to 40 mJ with bulk PZT for a 7 minutes loading time. From the literature, this appears sufficient for RF transmission (25 muJ). For other excitation sources (for instance jet noise), the energy produced is up to only 1 mJ with bulk PZT for a 25 minutes loading time. The drawback is that we should wait for several seconds in order to charge the harvester's battery. And, considering that many other components than the RF transceiver will require energy in the meantime, the time laps between two' measures could increase to several minutes. Therefore, strain-based energy harvester could be used for supplying wireless sensor nodes but they would not allow real time measurement. However this approach is a simple and convenient way to scavenge energy compared to other kinds of harvesters (inertial, solar...) since it amounts to bonding a piezoelectric material on a flexible surface. Some design advices are eventually proposed for this kind of harvesters. They could be used for designing a harvester able to produce desired power from a known excitation.[symboles non conformes]

Cette recherche vise à résoudre un problème particulier du contrôle de vibration des structures intelligentes. Notre objectif est de réduire les vibrations dans une zone spécifique de la structure intelligente avec une perturbation qui couvre une large gamme de fréquences. De plus, dans cette zone spécifique, ni l'actionnement ni la détection ne sont possibles.Ici, nous faisons face à plusieurs défis principaux. Premièrement, nous devons contrôler les vibrations d’une zone spécifique de la structure, alors que nous n’avons accès aux mesures que dans d’autres zones. Deuxièmement, la large bande passante de la perturbation implique que nombreux modes doivent être contrôlés au même temps, ce qui nécessite l'utilisation de plusieurs actionneurs et capteurs. Cela conduit à un contrôleur MIMO difficile à obtenir avec les méthodes classiques de conception de contrôleur. Troisièmement, il faut éviter le problème de propagation, qui consiste à garantir la stabilité en boucle fermée lorsque le contrôleur basé sur un modèle est appliqué à la configuration réelle. Pour relever ces défis, nous étudions deux stratégies de contrôle: le contrôle centralisé et le contrôle distribué.Pour le contrôle centralisé, nous proposons une méthodologie qui nous permet d’obtenir un contrôleur MIMO simple permettant de relever ces défis. Tout d'abord, plusieurs techniques de modélisation et d’identification sont appliquées pour obtenir un modèle précis d'ordre faible de la structure intelligente. Ensuite, une méthode de synthèse basée sur le contrôle H_∞ avec un critère H_∞ particulièrement proposé est appliquée. Ce critère H_∞ intègre plusieurs objectifs de contrôle, y compris les défis principaux. En particulier, le problème de débordement se transforme en un problème de stabilité robuste et sera garanti en utilisant ce critère. Le contrôleur H_∞ obtenu est une solution standard du problème H_∞. Le contrôleur final est obtenu en simplifiant ce contrôleur H_∞ sans perdre la stabilité en boucle fermée ni dégrader les performances. Cette méthodologie est validée sur une structure de poutre avec des transducteurs piézoélectriques et la zone centrale est celle où les vibrations devraient être réduites. L'efficacité du contrôleur obtenu est validée par des simulations et des expériences.Pour le contrôle distribué, on considère la même structure de poutre et les mêmes objectifs de contrôle. Il existe des méthodes visant à concevoir des contrôleurs distribués pour les systèmes spatialement interconnectés. Cette recherche propose une méthode basée sur la FEM, associée à plusieurs techniques de réduction de modèle, permettant de discrétiser spatialement la structure de poutre et d'en déduire les modèles d’espace d'état des sous-systèmes interconnectés. La conception des contrôleurs distribués ne sera pas abordée dans cette recherche. / This research aims at solving a particular vibration control problem of smart structures. We aim at reducing the vibration in a specific zone of the smart structure under the disturbance that covers a wide frequency band. Moreover, at this specific zone, neither actuation nor sensing is possible.Here we face several main challenges. First, we need to control the vibration of a specific zone of the structure while we only have access to measurements at other zones. Second, the wide bandwidth of the disturbance implies that numerous modes should be controlled at the same time which requires the use of multiple actuators and sensors. This leads to a MIMO controller which is difficult to obtain using classical controller design methods. Third, the so-called spillover problem must be avoided which is to guarantee the closed-loop stability when the model-based controller is applied on the actual setup. To tackle these challenges, we investigate two control strategies: the centralized control and the distributed control.For centralized control, we propose a methodology that allows us to obtain a simple MIMO controller that accomplishes these challenges. First, several modeling and identification techniques are applied to obtain an accurate low-order model of the smart structure. Then, an H_∞ control based synthesis method with a particularly proposed H_∞ criterion is applied. This H_∞ criterion integrates multiple control objectives, including the main challenges. In particular, the spillover problem is transformed into a robust stability problem and will be guaranteed using this criterion. The obtained H_∞ controller is a standard solution of the H_∞ problem. The final controller is obtained by further simplifying this H_∞ controller without losing the closed-loop stability and degrading the performance. This methodology is validated on a beam structure with piezoelectric transducers and the central zone is where the vibration should be reduced. The effectiveness of the obtained controller is validated by simulations and experiments.For distributed control, we consider the same beam structure and the same control objectives. There exist methods aiming at designing distributed controllers of spatially interconnected system. This research proposes a FEM based method, combined with several model reduction techniques, that allows to spatially discretize the beam structure and deduce the state-space models of interconnected subsystems. The design of distributed controllers will not be tackled in this research.