Following successful implementation of inerters for passive mechanical control in racing cars, this research studies potential innovative solutions for railway vehicle suspensions by bringing the inerter concept to the design of mechatronic systems. The inerter is a kinetic energy storage device which reacts to relative accelerations; together with springs and dampers, it can implement a range of mechanical networks distinguished by their frequency characteristics. This thesis investigates advantages of inerter-based novel devices to simplify the design of active solutions. Most of the research work is devoted to the enhancement of vertical ride quality; integrated active-plus-novel-passive solutions are proposed for the secondary suspensions. These are defined by different active control strategies and passive configurations including inerters. By optimisation of the suspension parameters, a synergy between passive and active configurations is demonstrated for a range of ride quality conditions. The evidence of cooperative work is found in the reduction of the required active forces and suspension travelling. This reveals a potential for reducing the actuator size. Benefits on power requirements and actuator dynamic compensation were also identified. One of the strategies features a nonlinear control law proposed here to compensate for 'sky-hook' damping effects on suspension deflection; this, together with inerter-based devices attains up to 50% in active force reduction for a setting providing 30% of ride quality enhancement. The study is developed from both, an analytical and an engineering perspective. Validation of the results with a more sophisticated model is performed. The lateral stability problem was briefly considered towards the end of the investigation. A potential use of inerter-based devices to replace the static yaw stiffness by dynamic characteristics was identified. This leads to a synergy with 'absolute stiffness', an active stability solution for controlling the wheelset 'hunting' problem, for reducing the creep forces developed during curve negotiation.

Le transport des micro-organismes, comme par exemple les bactéries, par un fluide se retrouve au centre de thématiques de recherche dans des domaines aussi variés que de la biologie, l’écologie, l’ingénierie et la médecine.Ce manuscrit résume mon étude expérimentale du couplage entre le mouvement microscopique de la nage des bactéries et le mouvement advectif de l’écoulement.La première partie du manuscrit porte sur la rhéologie des suspensions d’E. coli sous faible taux de cisaillement. Pour cette condition, j’ai montré que les perturbations hydrodynamiques induites par la nage réduisent fortement la viscosité. Cet effet peut-être si important pour qu’il soit suffisant pour compenser entièrement la perte visqueuse due au cisaillement.La seconde partie traite des expériences d’écoulement réalisées dans un canal capillaire. Pour cette géométrie, j’ai examiné le couplage pour des écoulements caractérisés par un plus fort taux de cisaillement. Le suivi des trajectoires et le dénombrement des bactéries m’ont permis de mettre en évidence l’existence d’une composante de vitesse normal à la direction de l’écoulement. Cette dernière montre que les bactéries suivent des trajectoires hélicoïdales qui s’enroulent autour du centre du capillaire d’une façon antihoraires. Cette nouvelle composante est corrélée à la migration préférentielle des bactéries dans une couche de localisation proche de la paroi du canal.Les couplages rhéotactiques bactéries/fluide que j’ai étudiés doivent avoir des conséquences potentielles sur le transport en géométries plus complexes qui mériteraient une étude particulière. / The question of transfer and spreading of living microorganisms, such as motile bacteria, is of interest in biology and ecology, but also in engineering and medicine.The way in which the background flow affects the behavior of these bacteria and how it impacts the bacterial transport through complex systems and on the macroscopic properties of the fluid remains unclear and little studied.In this thesis, I present an experimental investigation of the coupling between the local bacteria-driven motion and the fluid advection.In a first part, I investigate the rheological response of E. coli suspensions when subjected to weak flows (low shear rates). I show that, in particular conditions, the microscopic perturbations caused by the bacteria highly impact on the macroscopic viscosity of the suspension, leading to a striking viscosity decrease and eventually overcoming the dissipative effects due to viscous loss. I also identify the relevant time scales defining this viscosity decrease.In a second part, I perform experiments in a capillary channel and analyze the coupling for stronger flows (higher shear rates), at which bacteria were found not to impact on the macroscopic viscosity. Instead, by analyzing the bacterial trajectories under flow, I evidence a breakage of the symmetry of this trajectories which, characterized by a preferential migration, causes the localization of the bacteria in a layer that extends over a significant distance from the surface, and thus potentially influencing the bacterial transport in complex systems

The main motivation of this study is the design of a control strategy for semi-active vehicle suspension systems to improve ride comfort for road vehicles. In order to achieve this objective, firstly the damping characteristics of Magnetorheological dampers will be reviewed. Then an appropriate semi-active control strategy manipulating the inputs of the dampers to create suitable damping forces will be designed. Linear Quadratic Regulator (LQR) control strategy is the primary focus area on semi-active control throughout this study. Further, skyhook controllers are examined and compared with optimal LQR controllers. The semi-active controller is tuned using a linearized full (4 wheel) vehicle ride model with seven degrees of freedom. Some selected simulations are carried out by using a nonlinear model to tune LQR controller in an effort to optimize bounce, pitch, and roll motion of the vehicle. Time domain simulations and frequency response analysis are used to justify the effectiveness of the proposed LQR control strategy.

La suspension joue un rôle central pour la dynamique verticale d’un véhicule automobile afin d’améliorer le confort des passagers et la tenue de route. Les travaux de recherche de cette thèse sont divisés en deux grandes parties. La première partie considère le problème de commande d’une suspension semi-active dont le défi principal est de prendre en compte les contraintes de dissipativité et de débattement maximum des amortisseurs. Celles-ci sont transformées en des contraintes sur la commande et l’état d‘un système linéaire. Deux approches sont alors proposées pour la synthèse de la commande de la suspension semi-active : la commande Linéaire à Paramètres Variants (LPV) avec prise en compte de la saturation et la Commande Prédictive à base de Modèle (MPC).La deuxième partie est consacrée à l’estimation de défaut actionneur et à la commande Tolérante à ce type de défauts, avec comme application majeure le système de suspension semi-active. On considère ici comme défaut une perte de puissance de l’amortisseur (par exemple une fuite de l’huile), qui est estimée en utilisant plusieurs approches fondées sur des observateurs d’état. Puis, en fonction de l’estimation du défaut, la commande en boucle fermée est reconfigurée afin de conserver des performances pour la dynamique verticale du véhicule. / Semi-active suspension system plays a key role in enhancing comfort and road holding of vertical dynamics in automotive vehicles. This PhD thesis research work, focused on that topic, is divided into two main parts. The first one considers the semi-active suspension control problem, the main challenge of which being to handle the dissipativity constraint and suspensions stroke limitation of semi-active dampers. These constraints are recast into input and state constraints in a linear state space representation. Thereby, the semi-active suspension control is designed in the framework of Linear Parameter Varying (LPV) approach with input constraints, and of Model Predictive Control (MPC) approach.The second part is devoted to Fault Estimation and Fault Tolerant Control (FTC) in case of actuator fault, and its application to Semi-Active suspension systems. The fault considered here is the loss of actuator's efficiency (due to an oil leakage of the damper for instance when a ), which is estimated using several observer-based approaches. Then, thanks to the fault information from the estimation step, an LPV/FTC fault scheduling control is designed to limit the vehicle performance deterioration.

Nous avons tou(te)s été témoins des nuages d'étourneaux dans le ciel ou de la formation de bancs de poissons dans l'océan. Ce type d'organisation chez les êtres vivant se produit aussi à des échelles parfois invisibles pour l'oeil humain: celles des micro-organismes. Les suspensions de micro-nageurs présentent une dynamique riche. Elles peuvent former des structures cohérentes résultant d'un mouvement collectif, mélanger le fluides environnant et/ou modifier ses propriétés rhéologiques. Leurs comportements peuvent jouer un rôle important dans la survie, l'équilibre des espèces, leur stratégie trophique et même pour la fertilité animale. La diversité des phénomènes observés résulte de l'interaction complexe entre mécanismes de nage, processus physiologiques, processus chimiques et interactions hydrodynamiques. Comprendre et maîtriser les mécanismes impliqués fait nécessairement appel la Mécanique des Fluides. Les études expérimentales permettent de mettre en exergue certains phénomènes et parfois de les expliquer. Cependant la modélisation s'avère indispensable. Or, inclure une description fine des mécanismes de nages dans une suspension contenant des milliers (voire des millions) d'individus, implique de considérer une vaste gamme d'échelles couplées (typiquement du micron 10^-6m au millimètre 10^-3m). Décrire une physique multi-échelles pour ce type problème reste un défi majeur pour la modélisation numérique actuelle. Ainsi, dans le cadre de cette thèse nous nous proposons d'apporter une contribution dans cette direction. Nous montrerons dans une premiere partie qu'il est possible de reproduire les mécanismes de nage de façon satisfaisante à l'échelle du micro-organisme avec des modèles de différentes complexités. Nous présenterons ensuite nos développements pour étendre ces modèles a l'échelle de la suspension. Nous montrerons comment inclure simultanément les effets Browniens qui agissent sur les plus petite particules (10^-6m). Enfin, nous exploiterons l'outil mis en place pour simuler des suspensions actives. Sa capacité à reproduire certains résultats de la littérature à précision égale, à moindre coût et à plus grande échelle, permet de combler le fossé entre modèles individuels, travaux expérimentaux et modèles continus issus de la théorie cinétique. Forts de cet outil, nous tenterons de répondre à deux questions ouvertes dans la littérature expérimentale : l'origine des corrélations d'orientation dans les suspensions de microgouttes auto-propulsées et les mécanismes en jeu dans la diffusion des particules Browniennes dans les suspensions actives. / We have all witnessed the flocking of starlings in the sky and the schools of fish that form in the ocean. This kind of organization of living creatures is not limited to those that we see, but also occurs for those that we don’t : swimming microorganisms. Suspen- sions of micro-swimmers exhibit a rich dynamics. Their behaviors can play an important role in the survival of the group, its development, the balance between species, their trophic strategies and even animal fertility. They can form coherent structures due to collective motion, mix the surrounding fluid or modify its rheological properties. Such diversity results from the complex interplay between swimming strategies, physiological processes, chemical reactions and hydrodynamic interactions. Fluid Mechanics is there- fore essential to understand and master the mechanisms involved in these phenomena. While experimental studies bring out new findings and, sometimes, provide physical ex- planations, modeling remains essential. Yet, including an accurate description of the micro-swimmers in a suspension containing thousands (nay millions) individuals, requires considering a wide range of coupled scales (from one micron 10^−6m to several millimeters 10^−3m). What happens on large scales depends on sophisticated mechanisms occurring two or three orders of magnitude below. Therefore, the multiscale modeling of such phenomena is still a major challenge for the state-of-the-art numerical methods. This thesis aims at providing a contribution in that direction. In a first part, we will show that reproducing swimming mechanisms at the scale of the micro-swimmer can be achieved with various models spanning different levels of complexity. We will then present our developments to incorporate these models in an efficient framework for large scale simulations. We will show how to simultaneously account for the Brownian motion of the smallest particles (10^−6m). Our code reproduces known results from the literature with the same accuracy, but at lower cost and at larger scales, thus bridging a gap between particle-based models, experiments and continuum formulations from kinetic theory. Using the capabilities afforded by our method, we eventually address two open problems in the experimental literature : the origins of orientational correla- tions between interacting self-propelled micro-droplets and the mechanisms at play in the nonlinear enhancement of Brownian particle diffusion in active suspensions.

Les suspensions d'objets microscopiques ayant la faculté de se déplacer par eux-mêmes dans le fluide qui les entoure sont des systèmes qui présentent un intérêt croissant dans la communauté scientifique. Du fait de leur dynamique intrinsèquement hors-équilibre au sens de la physique statistique, ils génèrent des effets particulièrement complexes. Parmi les micro-objets autopropulsés existants, les micro-algues vertes représentent une part importante de la biomasse de la Terre et participent activement au retraitement du CO2 par leur activité photosynthétique. Elles présentent de plus un remarquable potentiel dans les domaines de la production de bio-carburants, du retraitement des déchets, de la fabrication de cosmétiques et de compléments alimentaires. La compréhension de la dynamique de nage de ce type de microorganisme est d'un intérêt primordial d'un point de vue industriel. Cet ouvrage présente l'étude de la dynamique de la micro-algue Chlamydomonas Reinhardtii. En utilisant un système de suivi de particules en imagerie optique que nous avons développé, nous analysons ici le mécanisme fondamental de nage utilisé par cette algue jusqu'à ses implications en terme d'effets collectifs sur la dynamique de nage d'une suspension semi-diluée. / The suspensions of microscopic objects with the ability to propel themselves into the surrounding fluid are systems of growing interest in the scientific community. Due to their intrinsic out-of-equilibrium dynamics in the sense of statistical physics, they generate complex effects. Among the existing self-propelled micro-objects, green micro-algae are an important part of the biomass of Earth and they actively participate to the recycling of CO2 by their photosynthetic activity. Moreover they have remarkable potential for the production of bio-fuels, waste reprocessing, cosmetics and dietary supplements production. From an industrial point of view, understanding the dynamics of this type of swimming microorganism is of primary interest. This work presents the study of the dynamics of microalgae Chlamydomonas Reinhardtii. Using a system of particle tracking with optical imaging that we have developed, we analyze the mechanism of stroke used by the algae up to its implications in terms of collective effects on the dynamics of swimming in a semi-dilute suspension.