Les travaux développés dans ce mémoire de thèse portent sur la contribution à une méthodologie de synthèse de lois de commande tolérante aux fautes garantissant la fiabilité des systèmes. Cette nouvelle méthodologie nécessite l'adaptation des différents outils de caractérisation de la fiabilité avec la théorie de la commande. L'intégration explicite de l'aspect charge dans les lois modélisant la fiabilité en ligne est considérée. Une première partie des travaux est consacrée à la reconfigurabilité des systèmes tolérants aux fautes. Une analyse de reconfigurabilité en présence de défauts basée sur la consommation d'énergie ainsi que des objectifs liés à la fiabilité globale du système sont proposés. Un indice de reconfigurabilité est proposé définissant les limites fonctionnelles d'un système commandé en ligne en fonction de la sévérité des défauts et de la dégradation des actionneurs en terme de fiabilité. Dans la deuxième partie, le problème d'allocation et ré-allocation de la commande est considéré. Des solutions sont développées tenant compte de l'état de dégradation et du vieillissement des actionneurs. Les entrées de commande sont attribuées au système en tenant compte de la fiabilité des actionneurs ainsi que les éventuels défauts. Des indicateurs de fiabilité sont proposés et intégrés dans la solution du problème d'allocation et ré-allocation de la commande. La dernière partie est entièrement consacrée à la synthèse d'une loi de commande tolérante aux fautes garantissant la fiabilité globale du système. Une procédure d'analyse de fiabilité des systèmes commandés en ligne est proposée en se basant sur une étude de sensibilité et de criticité des actionneurs. Ainsi, une méthode de commande tolérante aux fautes en tenant compte de la criticité des actionneurs est synthétisée sous une formulation LMI.

Dans ce travail, on s'intéresse aux problèmes de localisation et de classification des capteurs pour des propriétés de commande et d'observation de systèmes dynamiques. Lorsqu'une propriété considérée du système n'est pas vérifiée avec l'ensemble des capteurs initiaux, on cherche à implanter de nouveaux capteurs pour rendre cette propriété vraie. Lorsqu'une propriété du système est vérifiée avec l'ensemble des capteurs existants, on classe ces capteurs en différentes catégories en fonction de leur importance pour la préservation de cette propriété. On détermine les capteurs essentiels dont la défaillance fait perdre la propriété considérée et les capteurs inutiles qui peuvent tomber en panne sans aucun impact sur la propriété. Pour étudier ces deux problèmes, on utilise l'approche des systèmes linéaires structurés avec les graphes orientés associés. Les systèmes linéaires structurés sont une classe particulière de systèmes linéaires où les éléments des matrices d'état sont soit fixés à zéro soit des paramètres libres. Avec cette approche structurée, on étudie les problèmes de localisation et de classification des capteurs pour le rejet de perturbation par retour de mesure et la détection et localisation de défauts. Les résultats sont représentés en termes graphiques. Mots-Clés:Systèmes linéaires structurés ; Analyse structurelle ; Localisation de capteurs ; Classification de capteurs ; Rejet de perturbation; Détection et localisation de défaut.

L'aboutissement aux Commandes de Vol Électriques (CDVE) des avions civils actuels s'est fait par étapes, après une longue maturation des différentes technologies mises en place. La prochaine étape est l'utilisation de communications intégralement numériques et d'actionneurs intelligents. Cette thèse propose de nouvelles architectures, en rupture avec l'état de l'art, avec de nouvelles répartitions des fonctions intelligentes entre l'avionique centrale (calculateurs de commandes de vols) et l'avionique déportée (électroniques locales des actionneurs) dont l'avantage est d'exiger moins de ressources par rapport aux architectures conventionnelles tout en satisfaisant les mêmes exigences de sécurité et de disponibilité ainsi que les exigences croissantes en fiabilité opérationnelle de la part des compagnies aériennes. La sûreté de fonctionnement et la robustesse des nouvelles architectures proposées ont été validées respectivement sous OCAS/Altarica et Matlab/Simulink.

Le robot parallèle Par2, conçu pour des opérations industrielles de prise et dépôt à haute vitesse et haute précision, subit des vibrations importantes à la fin d'un déplacement. Pour minimiser ces vibrations, l'utilisation d'éléments piézo-électriques autour des bras du robot est proposée. L'identification en boucle ouverte des modes flexibles du robot, à 2,5kg de charge sur la nacelle et à la position d'arrêt, est faite en utilisant une technique basée sur les sousespaces. Deux modèles sont identifiés, un pour la synthèse des contrôleurs et un autre pour leur validation en simulation. Des contrôleurs stabilisant la boucle fermée sont obtenus et comparés pour deux stratégies de commande: H8 à sensibilité mixte et H8 Loop Shaping. La robustesse des contrôleurs est ensuite testée pour différentes trajectoires et conditions de charge. Une stratégie anti-windup est mise en place pour corriger l'action d'un contrôleur lorsqu'il ne s'avère pas robuste pour certaines situations limites. Des résultats en simulations et expérimentaux permettent de comparer l'efficacité des contrôleurs.

Le Titano-Zirconate de Plomb, ou PZT est un matériau piézoélectrique présentant de très bonnes performances pour l'actionnement des microsystèmes. Dans ce travail de thèse, nous nous proposons de répondre à la problématique de l'intégration du PZT par dépôt sol-gel. Dans une première partie, nous présenterons l'état de l'art des MEMS piézoélectriques et du PZT. Dans une seconde partie, nous montrerons comment obtenir des couches minces de PZT orientées (100) et (1111) de façon homogène, pour une des épaisseurs de 100 nm à 2µm. Dans une troisième partie, nous comparerons les propriétés ferroélectriques et piézoélectriques des films, en fonction de l'orientation. Pour l'orientation (100), nous avons pu mesurer un coefficient d31 supérieur à -150 pm/V et un coefficient e31,f de -16 C/m2. Pour l'orientation (111), nous avons mesuré un d31 de -100 pm/V et un e31,f de -14 C/m2. Pour expliquer les différences observées, nous avons également abordé le problème du blocage des parois de domaines. Dans une quatrième partie, nous présentons la fabrication et la caractérisation d'un interrupteur MEMS radiofréquences packagé et stabilisé en température fonctionnant à basse tension. A l'état bloqué, il présente une isolation de -44 dB à 2 GHz. A l'état passant, il présente des pertes d'insertion de -0.74 dB à 2 GHz. Dans cette partie, nous présentons également l'intégration d'une jauge de contraintes dans un actionneur piézoélectrique. Dans la dernière partie, nous présentons l'intégration de nos procédés dans des membranes sans dégradation des performances. Une étude préliminaire de fiabilité est également menée. Le mécanisme conduisant à la dégradation de nos composants est lié au vieillissement du matériau, ce qui montre que notre procédé de dépôt est maitrisé de façon homogène sur des substrats 200 mm.

The medical community has expressed a need for flexible medical instruments. Hence, this work investigates the possibility to use "flexible fluidic actuators" to develop such flexible instruments. These actuators are driven by fluid, i.e. gas or liquid, and present a flexible structure, i.e. an elastically deformable and/or inflatable structure. Different aspects of the study of these actuators have been tackled in the present work:<p>• A literature review of these actuators has been established. It has allowed to identify the different types of motion that these actuators can develop as well as the design principles underlying. This review can help to develop flexible instruments based on flexible fluidic actuators.<p>• A test bench has been developed to characterize the flexible fluidic actuators.<p>• A interesting measuring concept has been implemented and experimentally validated on a specific flexible fluidic actuator (the "Pneumatic Balloon Actuator", PBA). Ac- cording to this principle, the measurements of the pressure and of the volume of fluid supplied to the actuator allow to determine the displacement of the actuator and the force it develops. This means being able to determine the displacement of a flexible fluidic actuator and the force it develops without using a displacement sensor or a force sensor. This principle is interesting for medical applications inside the human body, for which measuring the force applied by the organs to the surgical tools remains a problem.<p>The study of this principle paves the way for a lot of future works such as the implemen- tation and the testing of this principle on more complex structures or in a control loop in order to control the displacement of the actuator (or the force it develops) without using a displacement or a force sensor.<p>• A 2D-model of the PBA has been established and has helped to better understand the physics underlying the behaviour of this actuator.<p>• A miniaturization work has been performed on a particular kind of flexible fluidic actu- ator: the Pleated Pneumatic Artificial Muscle (PPAM). This miniaturization study has been made on this type of actuator because, according to theoretical models, minia- turized PPAMs, whose dimensions are small enough to be inserted into MIS medical instruments, could be able to develop the forces required to allow the instruments to perform most surgical actions. The achieved miniaturized muscles have a design similar to that of the third generation PPAMs developed at the VUB and present a total length of about 90 mm and an outer diameter at rest of about 15 mm. One of the developed miniaturized PPAMs has been pressurized at p = 1 bar and it was able to develop a pulling force F = 100 N while producing a contraction of 4 %.<p>Propositions have been made regarding a further miniaturization of the muscles. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’étude présentée est le fruit d’une collaboration entre le groupe de recherche de l'Electrodynamique du INP-ENSEEIHT (Toulouse), LAPLACE Laboratoire de Recherche et l'École Polytechnique de Gdańsk, le Département Génie Electrique et Automatique. L’objectif de cet projet est la conception d’un moteur piézoélectrique multicellulaire composé de plusieurs stators de moteurs à rotation de mode (3 au minimum) permettant de garantir des fréquences de résonance élevées ainsi qu’une répartition des efforts de frottement plus favorables. Le dimensionnement du moteur s’appuiera sur un cahier des charges du domaine de l’automobile, en visant une structure la plus simple possible à mettre en oeuvre. Outre un travail important concernant la conception, il faudra procéder à sa caractérisation après la réalisation du prototype. La dernière étape concernera la définition des stratégies d’alimentation et de commande d’une telle structure qui posera inévitablement le problème de l’autoadaptativité des cellules résonantes à une même fréquence de résonance. Le moteur multicellular (MPM) proposé sera une combinaison du moteur à onde progressive annulaire (Shinsei) et moteur à rotation de mode. Il combine les avantages des deux moteurs par une combinaison de trois cellules élémentaires de moteurs à rotation de mode. La combinaison de ces deux concepts, accroît le nombre de surface de contact. Les dimensions préliminaires et les paramètres de la MPM prototype ont été vérifiés en utilisant son modèle développé analytique (géométrique) et méthodes numériques (MÉF). Le modèle analytique de la MPM a été développé sur la base de circuit équivalent de la Langevin actuateur. La model analytique a été fait dans Matlab. Les principaux paramètres calculés sont: fréquence de résonance 26.2 kHz, couple bloque 0.4 Nm et la vitesse 40 tr/mn. En utilisant le modèle MÉF les fréquences de résonance et les valeurs du stress de la MPM prototype ont été déterminés. . Des simulations ont été effectuées pour sélectionner la fréquence de résonance et la forme pour concevoir le contre mass. Les fréquences de résonances résultantes sont 25.6 kHz et simulations du stress moins de 9 N/mm2. Comparaison des résultats fréquence de résonance calcule à modèle analytique (26.2 kHz) et le modèle FEM (25.6 kHz) du une prototype MPM, il convient de noter, que de modèle analytique est fortement modèle précis. Enfin, la réalisation des pièces par imprimante 3D a été décidée (contre-mass et carter) et les matériaux: aluminium et nylatron. Les autres parties ont été réalisés sur une machine à commande numérique à l'aide de l'acier. Les mesures de la MPM prototype ont été effectuées. L'étape suivante a consisté à tester le moteur et vérifier la fréquence de résonance, et la mesure de déplacement, résonances fréquences résultantes sont 22 kHz et déplacement 1.1 μm sur rotor/stator point du contact. Finalement, les paramètres mécaniques ont été mesurés. Les meilleurs paramètres mécaniques ont été obtenus sur dSpace support de laboratoire: vitesse - 46-48 tr/mn, et le couple bloqué – 0.4 Nm. Les résultats sont satisfaisants et donnent un bon point de départ pour les futurs travaux. / The research works in the frame of the dissertation have been carried out with the cooperation between the University INP - ENSEEIHT - LAPLACE (Laboratory on Plasma and Conversion of Energy), Toulouse, France, and the Gdańsk University of Technology, Faculty of Electrical and Control Engineering, Research Unit Power Electronics and Electrical Machines, Gdańsk, Poland. The main scope of the dissertation was following: development a novel concept, implementation and analysis of the multicell piezoelectric motor (MPM) for the control of the car seat position. The new concept of the MPM is based on a combined topology using the working principles of the traveling wave motor/actuator (known as the Shinsei motor), and the electromechanical structure of the rotating-mode motor/actuator. The electromechanical structure of each rotating-mode motor has been considered as an independent one – referred to as a "single cell". The application of the novel MPM for the control of the car seat position will reduce the number of gears due to its direct coupling with the driving/movement shaft of the seat positioning system. The achieved effects of a such integrated structure will be following: a higher efficiency, a lower noise of performance, a low cost of manufacturing, and in general a lower pollution of the environment. The preliminary dimensions and parameters of the prototype MPM have been verified using its developed analytical (geometrical) model and numerical methods (FEM). The prototype MPM has been manufactured. Finally, the laboratory measurements of the MPM prototype has been carried out.

Dans ce travail, on s'intéresse aux problèmes de localisation et de classification des capteurs pour des propriétés de commande et d'observation de systèmes dynamiques. Lorsqu'une propriété considérée du système n'est pas vérifiée avec l'ensemble des capteurs initiaux, on cherche à implanter de nouveaux capteurs pour rendre cette propriété vraie. Lorsqu'une propriété du système est vérifiée avec l'ensemble des capteurs existants, on classe ces capteurs en différentes catégories en fonction de leur importance pour la préservation de cette propriété. On détermine les capteurs essentiels dont la défaillance fait perdre la propriété considérée et les capteurs inutiles qui peuvent tomber en panne sans aucun impact sur la propriété. Pour étudier ces deux problèmes, on utilise l'approche des systèmes linéaires structurés avec les graphes orientés associés. Les systèmes linéaires structurés sont une classe particulière de systèmes linéaires où les éléments des matrices d'état sont soit fixés à zéro soit des paramètres libres. Avec cette approche structurée, on étudie les problèmes de localisation et de classification des capteurs pour le rejet de perturbation par retour de mesure et la détection et localisation de défauts. Les résultats sont représentés en termes graphiques. Mots-Clés:Systèmes linéaires structurés ; Analyse structurelle ; Localisation de capteurs ; Classification de capteurs ; Rejet de perturbation; Détection et localisation de défaut. / In this work, we are interested in sensor location and classification problems for control and observation of dynamical systems. When a considered property of the system is not satisfied with the initial set of sensors, we seek to implement additional sensors to make this property true. When a property is satisfied with the existing sensors, these sensors are classified into different categories according to their importance for the preservation of this property. We determine the critical sensors whose failure implies the property loss and the useless sensors which can fail without impact on the property. To study these two problems, we use the structured system approach with the associated directed graphs. Structured linear systems are a particular class of linear systems where the elements of state matrices are either zero or free parameters. With this approach, we study the problems of location and classification of sensors for disturbance rejection by measurement feedback and fault detection and isolation. The results are given in graphic terms. Keywords: Structured linear systems ; Structural analysis ; Sensor location ; Sensor classification; Disturbance rejection ; Fault detection and isolation.

Dans les systèmes mécaniques ou mécatroniques, les actionneurs sont les composants utilisés pour convertir l’énergie d’entrée, généralement l’énergie électrique, en tâche mécanique telles que le mouvement, la force ou une combinaison des deux. Actionneur analogique et actionneur numérique sont les deux types d’actionneurs les plus communs. Les actionneurs numériques possèdent les avantages du contrôle en boucle ouverte, faible consommation d’énergie par rapport aux actionneurs analogiques. Cependant, les actionneurs numériques présentent deux inconvénients majeurs. Les erreurs de fabrication de ces actionneurs doivent être contrôlées précisément parce que, contrairement à des actionneurs analogiques, une erreur de fabrication ne peut pas être compensée par la loi de commande. Un autre inconvénient est leur capacité à réaliser les tâches continues en raison de leur corse discrète. Un assemblage de plusieurs actionneurs numériques peut néanmoins réaliser des tâches multiples discrètes. Cette thèse porte sur la caractérisation et l’optimisation d’une conception expérimentale actionneurs tableau numériques pour l’application planaire de transport. Le premier objectif principal de la présente thèse est axé sur la caractérisation de l’ensemble des actionneurs existants et aussi une application planaire de transport sur la base du tableau des actionneurs. A cette fin, une modélisation de la matrice des actionneurs essais expérimentaux ont été effectués afin de déterminer l’influence de certains paramètres sur le comportement des actionneurs de tableau. Le deuxième objectif est de concevoir une nouvelle version du tableau actionneurs sur la base de l’expérience du premier prototype. Une optimisation de la conception a ensuite été réalisée en utilisant des techniques d’algorithmes génétiques tout en tenant compte de plusieurs critères. / In mechanical or mechatronical systems, actuators are the components used to convert input energy, generally electrical energy, into mechanical tasks such as motion, force or a combination of both. Analogical actuator and digital actuator are two common types of actuators. Digital actuators have the advantages of open-loop control, low energy consumption and etc compared to analogical actuators. However, digital actuators present two main drawbacks. The manufacturing errors of these actuators have to be precisely controlled because, unlike to analogical actuators, a manufacturing error cannot be compensated using the control law. Another drawback is their inability to realize continuous tasks because of their discrete stroke. An assembly of several digital actuators can nevertheless realize multi-discrete tasks. This thesis focuses on the experimental characterization and optimization design of a digital actuators array for planar conveyance application. The firs main objective of the present thesis is focused on the characterization of the existing actuators array and also a planar conveyance application based on the actuators array. For that purpose, a modeling of the actuators array and experimental test has been carried out in order to determine the influence of some parameters on the actuators array behavior. The second objective is to design a new version of the actuators array based on the experience of the first prototype. An optimization of the design has then been realized using genetic algorithm techniques while considering several criteria.

Les actionneurs multi-axes sont de plus en plus prisés par les concepteurs de systèmes de nanopositionnement car ils permettent une réduction de l'espace occupé et de l'énergie consommée, une dextérité plus grande et une modularité avec peu de contraintes pour les applications. Certains de ces actionneurs et systèmes multi-axes sont cependant caractérisés par des oscillations mal-amorties qui compromettent de manière drastique leurs performances générales. Cette thèse concerne l'exploitation des techniques de commande en boucle-ouverte input-shaping classiquement utilisées pour amortir de manière sans capteurs les oscillations dans les systèmes mono-axes et les étendent pour qu'ils soient utilisables pour les systèmes multi-axes. Les résultats proposés dans la thèse qui sont des techniques input-shaping multivariables sont ensuite appliquées sur des actionneurs piézoélectriques classiquement dédiés pour les applications de nanopositionnement. / Multi-axes actuators are becoming more and more tempting to nanopositioning system designers as they enable them to save space, reduce energy consumption, increase dexterity and offer more modularity and freedom with fewer constraints to their applications. Some of these multi-axes actuators and systems exhibit however badly damped vibrations which strongly compromise their global performances. This thesis work exploits the advantages of the well-known feedforward input shaping techniques usually used to damp vibrations in monovariable (SISO) systems to present a new multivariable (MIMO) input shaping technique that can be used to damp vibrations in multi-axes systems. The approach that was used in this study is to extend a previous work that was done on multiple-input single-output (MISO) systems and generalize it for MIMO systems. The study demonstrates also the application of this newly developed technique on different piezoelectric actuators commonly used in nanopositioning systems.