Ce travail de thèse constitue une contribution à la modélisation et au diagnostic des systèmes multi-domaines à commutation (hybrides). Il est appliqué à la supervision des systèmes multi-sources d’énergie propre où l’hydrogène est utilisé comme moyen de stockage. Un tel système associe des composantes énergétiques de nature différente et fait l’objet de commutations produites par la connexion et déconnexion d’un ou plusieurs composants. Ces commutations génèrent différents modes de fonctionnement et sont liées à l’intermittence des sources primaires, aux capacités de stockage et à la disponibilité opérationnelle des ressources matérielles qui constituent le système. La présence de ces commutations engendre une dynamique variable qui est classiquement difficile à exprimer mathématiquement sans exploiter tous les modes. Ces difficultés de modélisation se propagent pour affecter toutes les tâches dépendantes du modèle comme le diagnostic et la gestion de modes de fonctionnement. Pour résoudre ces problématiques, un nouvel outil, Bond Graph Hybride piloté par événements, a été développé. Entièrement graphique, ce formalisme permet une modélisation interdisciplinaire globale du système. En séparant la dynamique continue gérée par le Bond Graph Hybride des états discrets modélisés par un automate intégré, l’approche proposée simplifie la gestion des modes de fonctionnement. Le modèle issu de cette méthodologie est également bien adapté au diagnostic robuste, réalisable sans recourir aux équations analytiques. Associée au diagnostic robuste, cette gestion des modes permet l’implémentation de stratégies de reconfiguration et de protection en présence de défaillances. / This research work constitutes a general contribution towards a simpler modelling and diagnosis of the multidisciplinary hybrid systems. Hybrid renewable energy systems where hydrogen is used to store the surplus of the power fits perfectly under this description. Such system gathers different energetic components that are needed to be connected or disconnected according to different operating conditions. These different switching configurations generate different operating modes and depend on the intermittency of the primary sources, the storage capacities and the operational availability of the different hardwares that constitute the system. The switching behaviour engenders a variable dynamic which is hard to be expressed mathematically without investigating all the operating modes. This modelling difficulty is transmitted to affect all the model-based tasks such as the diagnosis and the operating mode management. To solve this problematic, a new modelling tool, called event-driven hybrid bond graph, is developed. Entirely graphic, this formalism allows a multidisciplinary global modelling for all the operating modes at once. By separating the continuous dynamic driven by the bond graph, from the discrete states handled by an integrated automaton, this approach simplifies the management of the operating modes. The model issued using this methodology is also well-adapted to perform a robust diagnosis which is achievable without referring back to the analytical description of the model. The operating mode management, when associated with the on-line diagnosis, allows the implementation of reconfiguration strategies and protection protocols when faults are detected.

Ce travail de thèse présente différentes contributions pour la génération automatique de modèles représentant les Systèmes Dynamiques Hybrides (SDH) caractérisés par plusieurs modes de fonctionnement. Les composants du système (notamment les capteurs) peuvent être manuellement sélectionnée ou automatiquement exportés à partir des données de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) ; ces éléments sont ensuite interconnectés pour reproduire le modèle complet du système industriel. Une fois le modèle créé, des schémas-blocs de simulation et de diagnostic, ainsi que la Matrice de Signature de Fautes (FSM) seront produits. Le logiciel est basé sur les Bonds Graph Hybrides ; la présence de commutations engendre des dynamiques variables (notamment des changements de causalité). Pour lever ces verrous, différents algorithmes sont proposés. En comparaison des logiciels existants, les algorithmes proposés sont valides pour les systèmes continus, discrets ou hybrides. Les théories et algorithmes développés sont appliqués sur un système ferroviaire de freinage électropneumatique. / This thesis work contributes to perform a automed model builder for Hybrid Dynamic Systems (HDS) with numerous modes. Technological components including sensors with an iconic format can be automatically export from a computer-aided design (CAD) scheme or manually drag from database and interconnected, so as to produce the overall HDS model, following industrial technological schemes. Once the model has been created, block diagram for simulation and diagnosis and a Fault Signature Matrix (FSM) could be generated.The theory and algorithm behind the software are based on Hybrid Bond Graphs (HBG). The switching behaviour engenders variables dynamics (particularly causal changes). To solve this problematic, news algorithm are performed. Compared with developed programs for automated modelling, the presented algorithm are valid for continuous, discrete and hybrid systems. The theory is illustrated by an industrial application which consists of the pneumo-electrical control of rolling stock.

Le travail de thèse concerne la conception intégrée d'un système de détection et localisation de fautes robuste aux incertitudes paramétriques pour les systèmes hybrides à base de modèle bond graph hybride(BGH) sous la forme LFT (Transformations linéaires fractionnelles). Sur la base de la littérature consultée, les systèmes hybrides sont principalement modélisés pour chaque mode de fonctionnement pour lequel sont générés des indicateurs de fautes déterministes. L'intérêt scientifique de la présente recherche peut être résumé comme suit : (1) l’utilisation d’un seul modèle BGH incertain basé sur les jonctions contrôlées et représentant l’ensemble des modes de fonctionnement, (2) exploitation des propriétés structurelles et causales du BGH LFT pour la génération systématique de Relations de Redondance Analytiques Globales (RRAG) et des seuils de détection robustes aux incertitudes paramétriques et, valides pour tous les modes de fonctionnement, et enfin (3) l’utilisation d’un seul outil : le modèle BGH de Diagnostic (BGHD), pour non seulement la modélisation mais aussi la surveillance en ligne. La démarche développée a été illustrée par un exemple pédagogique représentant un circuit électrique à commutation et par une application à un système hydraulique. / The present PH.D thesis deals with integrated design of robust Fault Detection and Isolation system (FDI) based on Hybrid Bond Graph (HBG) in Linear Fractional Transformation (LFT) form. Based on consulted literature about hybrid systems, each operating mode is mainly modelled by specific model for which are generated determinist fault indicators. The innovative interest of developed research can be summarized as follows: (1) use only one HBG uncertain model based on controlled junctions and representing all operating modes, (2) structural and causal properties of the LFT HBG are exploited for systematic generation of Global Analytical Redundancy Relations (GARRs), and detection thresholds, robust to parameter uncertainties, and (3) finally use of only one tool: the Diagnosis Hybrid Bond Graph (DHBG) for not only modelling but also for online surveillance. The developed approach is illustrated by electrical circuit pedagogical example and application to hydraulic system.

Ce travail se concentre sur la modélisation et l'analyse d'un système de direction sur-motorisé d'un (véhicule) poids lourd omnidrive. Il fait partie d'un robot appelé RobuTAINeR, il est utilisé pour le transport conteneurs de 12 mètres à l'intérieur des espaces confinés à terminaux maritimes. Dans cette classe de robots, la direction et la roue jouent un rôle crucial pour la navigation autonome, par conséquent, il est une nécessité pour comprendre et modéliser les capacités de mouvement omnidirectionnel, la commutation des comportements dynamiques, et ses zones multi-domaines: électrique, mécanique, hydrodynamique, etc. La technique Bond Graph est une méthodologie unificatrice pour réaliser et analyser les systèmes physiques aussi bien que l'échange énergétique, ce qui fait possible l'exploiter non seulement pour la modélisation, mais aussi pour la détection de défauts et l'isolement. La validation du modèle a été réalisée avec la simulation en temps réel, établie à partir de données réelles obtenues dans le simulateur SCANeR Studio et par rapport à la simulation sur le logiciel 20sim. Cette technique est utilisée pour modéliser des systèmes complexes comme: le contrôle de la direction hydraulique; la partie électromécanique du système de traction; la dynamique longitudinale, latérale et de lacet dans le centre de gravité du robot; et les forces latérales et longitudinales présentées dans le pneu-sol. Le diagnostic est appliqué avec le modèle hybride qui est appelé Diagnostic Bond Graph. Ainsi, un autre objectif est de modéliser et d'améliorer la robustesse de la détection de défaut en présence d'incertitudes paramétriques afin de réduire les fausses alarmes. / This work focuses on the modeling and analysis of an over-actuated steering system of a mobile omnidrive heavy vehicle that is part of a wheeled robot called RobuTAINeR. This robot is used for transporting 12-meters containers inside confined spaces of maritime terminals. In this class of robots, the steering and wheel play a crucial role for the autonomous navigation; hence, there is a necessity to understand and model the omnidirectional motion capabilities, switching dynamic behaviors, and its multi-domain areas: electrical, mechanical, hydrodynamic, etc. The Bond Graph technique is a unifying methodology to perform and analyze physical systems, where there is energy exchange, not only suitable for modeling but also for Fault Detection and Isolation. The validation of this model has been done with real-time simulation, based on real data integrated into the professional simulator SCANeR Studio and compared with the simulation on 20Sim. This professional tool is used to model complex systems such as the control of the hydraulic steering; the electromechanical section of the traction system; the longitudinal, lateral, and yaw dynamics of the robot motion concerning its center of gravity; and the lateral and longitudinal forces presented in the tire-ground. The diagnosis is applied to the hybrid model which is called Diagnostic Bond Graph. Thus, another objective is to model and improve the robustness of fault detection in the presence of parametric uncertainties in order to reduce false alarms.