Actuellement, la construction d’un parc éolien nécessite une étude acoustique qui doit assurer la tranquillité des habitants aux alentours et la conformité au regard de la réglementation en vigueur. Pour ce faire, des mesures acoustiques sont réalisées sur une période d’environ deux semaines. Durant ces mesures, des cycles de marche et d’arrêt des machines sont réalisés afin de mesurer la différence de niveau sonore entre le bruit ambiant (éoliennes en fonctionnement) et le bruit résiduel (éoliennes à l’arrêt). Un plan de bridage des machines est alors calculé et fourni à l’exploitant afin de l’implémenter dans le système de contrôle local des éoliennes (SCADA). Actuellement, ce plan dépend grossièrement des conditions météorologiques et des périodes de la journée, supposées corrélées aux conditions acoustiques. En pratique, cette manière de procéder engendre fréquemment des dépassements du critère réglementaire et/ou des pertes de production électrique. Ceci est dû aux conditions acoustiques qui évoluent sans cesse, à la fois pour le bruit particulier (bruit des éoliennes seules) qui dépend finement des conditions météorologiques, et pour le bruit résiduel qui dépend de toutes les autres sources de l’environnement et qui est fondamentalement de nature stochastique. La thèse vise à proposer un algorithme de contrôle du parc éolien en temps réel basé sur un nouveau paradigme de contrôle. On y étudie la possibilité de contrôler un parc éolien à partir d’un système en boite noire d’estimation temps-réel du niveau résiduel et du niveau particulier par séparation de sources. Dans le manuscrit, on définit tout d’abord une formulation du problème dans le cadre du contrôle en identifiant les problématiques propres à ce sujet, une définition des variables du problème et en se rattachant à l’état de l’art du contrôle. Ensuite, on propose deux solutions complètes de contrôle et une évaluation expérimentale. La première est une solution déterministe, qui s’appuie sur un algorithme d’optimisation combinatoire sous contrainte, et qui s’inspire du contrôle actuel des parcs éoliens tout en tenant compte de l’estimation par séparation de sources, alors supposée exacte. On y propose en outre une étude de la capacité du système déterministe à satisfaire le critère réglementaire français qui est aujourd’hui calculé à l’aide de médianes temporelles des variables acoustiques. La seconde est une solution stochastique, qui est basée sur une représentation d’état des variables acoustiques et des incertitudes gaussiennes. Elle inclut un filtrage de Kalman non-linéaire, afin de fusionner l’incertitude sur le modèle acoustique et l’incertitude de séparation de sources, un algorithme espérance-maximisation afin de ré-estimer les incertitudes du problème qui varient d’un parc à un autre, et une adaptation robuste de l’algorithme combinatoire afin de prendre en compte les incertitudes estimées / Currently, acoustic studies are required to set wind farms up. They must ensure the tranquility of the inhabitants around the farms in accordance with current regulations. For this purpose, acoustic measurements are made during a couple of weeks. When measuring, the wind turbines are periodically stopped in order to evaluate the difference between ambient noise levels (with the turbines on) and residual noise levels (with the turbines off). A curtailment plan is then computed and sent to the wind farm owner in order to set it up in the local turbine control system (SCADA). Currently, the curtailment plan roughly depends on the weather conditions and the time of the day which are allegedly correlated to the acoustic variables. In practice, it frequently leads to violations of the acoustic constraints or electrical power loss. This is because the acoustic conditions constantly and strongly evolve over time: the wind turbine noise level finely depends on the weather conditions and the residual noise level depends on all the other acoustic sources and has therefore a stochastic nature. The goal of the thesis is to design a principled real-time control algorithm for wind farms. To do so, we investigate the use of a black-box source separation system that estimates the residual noise level and the wind turbine noise level. We first provide a theoretical formulation of the problem by accounting for specific practical issues, by defining the variables of the problem and by binding these issues to the state of the art. Then, we propose two complete control solutions and run an experimental evaluation. The first solution is a deterministic algorithm based on a constrained combinatorial optimization algorithm, which is inspired by the current approach for controlling wind farms while exploiting the source separation system. Moreover, we present a study of its ability to fulfill the French acoustic constraints that are computed as temporal medians of the acoustic variables. The second solution is stochastic and based on a state-space model defined by means of Gaussian uncertainties. It features a nonlinear Kalman filter in order to fuse the uncertainties of the model and of the source separation system, an Expectation-Maximization algorithm that computes the uncertainties for a specific farm, and a robust variant of the deterministic algorithm that takes the estimated uncertainties into account when computing the optimal command

Les Robots Parallèles à Câbles (RPC) sont particulièrement adaptés pour des applications telles que le transport de charges lourdes au travers de grands espaces de travail. Afin de contrôler l'ensemble des degrés de liberté de la plate-forme tout en optimisant la taille de l'espace de travail du robot par rapport au volume de sa structure, la redondance d'actionnement est nécessaire. Dans cette thèse, un algorithme de distribution des tensions des câbles compatible temps-réel est introduit. Il permet de calculer efficacement différentes solutions optimales au problème de la distribution des tensions des RPC à deux degrés de redondance. Des schémas de commande adaptés aux RPC, intégrant l'algorithme de distribution des tensions, sont ensuite proposés. Un schéma de commande en espace double est introduit pour compenser la dynamique de la plate-forme et des enrouleurs. Afin de pallier les incertitudes et les variations des paramètres des modèles, une commande adaptative en espace double est finalement proposée. Des résultats expérimentaux prouvent la compatibilité temps-réel des algorithmes et des lois de commande développés dans cette thèse, ainsi que leur stabilité le long de la trajectoire suivie. / Cable-driven parallel robots (CDPR) are particularly well adapted for some applications such as handling of heavy payloads over large workspaces. However, in order to fully control all the degrees of freedomof the mobile platformand to obtain large workspace to footprint ratios, redundant actuation may be required, which implies the determination of feasible cable tension distributions. In this thesis, in the case of CDPR with two degrees of actuation redundancy, real-time compatible algorithms capable of efficiently calculating various continuous tension distribution are introduced. Furthermore, efficient control schemes are proposed in order to increase the CDPR tracking performances. First, an dual-space feedforward control scheme is introduced to compensate for the plate-formeand whinches dynamics. In order to deal with parametric variations and incertainties in the models, an adaptive dual-space motion control scheme for CDPR is finally presented. Experimental results validate the reel-time efficiency of the proposed tension distribution algorithmand control schemes as well as their stability along the tracked trajectory.

L'utilisation des véhicules sous-marins (ROV, AUV, gliders) s'est considérablement accrue ces dernières décennies, aussi bien dans le domaine de l'offshore ou de l'océanographie, que pour des applications militaires. Dans cette thèse, nous abordons le problème particulier de la commande des véhicules sous-marins à faible inertie et fort rapport puissance/inertie. Ces derniers constituent des systèmes fortement non linéaires, dont la dynamique est susceptible de varier au cours du temps (charge embarquée, caractéristiques des propulseurs, variation de salinité...) et qui sont très sensibles aux perturbations environnementales (chocs, traction sur l'ombilical...). Afin d'assurer des performances de suivi de trajectoire satisfaisantes, il est nécessaire d'avoir recours à une commande adaptative qui compense les incertitudes ou les variations des paramètres du modèle dynamique, mais également qui rejette les perturbations, telles que les chocs. A cette fin, nous proposons dans ce manuscrit, l'étude théorique et la validation expérimentale de plusieurs lois de commande pour véhicules sous-marins. Nous analysons tout d'abord des approches classiques dans ce domaine (commande PID et commande par retour d'état non linéaire), puis nous les comparons avec deux autres architectures de commande. La première est la commande adaptative L1 non linéaire, introduite en 2010 notamment pour la commande des véhicules aériens, et implémentée pour la première fois sur un véhicule sous-marin. Le découplage entre adaptation et robustesse permet l'utilisation de très grands gains d'adaptation (et donc une convergence plus rapide des paramètres estimés, sans aucune connaissance a priori), sans pour autant dégrader la stabilité. La seconde méthode, que nous proposons et qui constitue l'apport principal de cette thèse, est une évolution de la commande L1, permettant d'en améliorer les performances lors du suivi d'une trajectoire variable. Nous présentons une analyse de stabilité de cette commande, ainsi que sa comparaison expérimentale avec les autres lois de commande (commande PID, commande adaptative par retour d'état non linéaire et commande adaptative L1 standard). Ces expérimentations ont été réalisées sur un mini-ROV et plusieurs scenarii ont été étudiés, permettant ainsi d'évaluer, pour chaque loi, sa robustesse et son aptitude à rejeter les perturbations. / Underwater vehicles have gained an increased interest in the last decades given the multiple tasks they can accomplish in various fields, ranging from scientific to industrial and military applications. In this thesis, we are particularly interested in the category of vehicles having a high power to weight ratio. Different challenges in autonomous control of such highly unstable systems arise from the inherent nonlinearities and the time varyingbehavior of their dynamics. These challenges can be increased by the low inertia of this class of vehicles combined with their powerful actuation. A self tuning controller is therefore required in order to avoid any performance degradation during a specific mission. The closed-loop system is expected to compensate for different kinds of disturbances or changes in the model parameters. To solve this problem, we propose in this work the design,analysis and experimental validation of different control schemes on an underwater vehicle. Classical methods are initially proposed, namely the PID controller and the nonlinear adaptive state feedback (NASF) one, followed by two more advanced schemes based on the recently developed L1 adaptive controller. This last method stands out among the other developed ones in its particular architecture where robustness and adaptation are decoupled. In this thesis, the original L1 adaptive controller has been designed and successfullyvalidated then an extended version of it is proposed in order to deal with the observed time lags occurring in presence of a varying reference trajectory. The stability of this latter controller is then analysed and real-time experimental results for different operating conditions are presented and discussed for each proposed controller, assessing their performance and robustness.

Cette thèse porte sur les problèmes de stabilité en fréquence et en tension des microréseaux isolés avec forte pénétration d'énergies renouvelables en utilisant des dispositifs de stockage d'énergie, et se divise en deux parties principales.Dans la première partie, nous proposons une conception systématique d'une structure de commande robuste multi-variable pour le réglage de fréquence dans un système de génération de puissance hybride diesel-photovoltaïque-supercondensateur fonctionnant en mode autonome. La structure de commande proposée repose sur une architecture à deux niveaux: les contrôleurs d'asservissement de courant basés sur commande PI classique sont placés sur le niveau de commande inférieur et reçoivent des références d'un niveau supérieur qui, lui, est basé sur commande H-infini. Une méthodologie compréhensive qui traduit les demandes d'ingénierie spécifiques de l'opération du microréseau dans le formalisme de commande H-infini est détaillée. Nous montrons également comment les spécifications de performance dynamiques en boucle fermée doivent à leur tour être prises en compte dans la configuration et le dimensionnement initiaux du microréseau, c'est-à-dire en choisissant de manière appropriée et en évaluant le système de stockage d'énergie. Ensuite, une analyse de performance robuste du contrôleur H-infini synthétisé en présence de diverses perturbations de charge, des variations de puissance active de la source photovoltaïque, et des incertitudes du modèle est effectuée afin de déterminer la plage de variation maximale des paramètres pour laquelle les performances de commande imposées sont respectées pour le point de fonctionnement considéré. Les simulations numériques réalisées avec MATLAB/Simulink montrent l'efficacité de la stratégie de commande robuste de fréquence proposée sur un microréseau d'ordre de quelques MVA. Un banc de test de prototypage rapide, qui est composé d'un système de stockage d'énergie réel à base de supercondensateurs et un réseau diesel-photovoltaïque-charge émulé, est développé afin de valider expérimentalement cette stratégie de commande.La deuxième partie de cette thèse se concentre sur le calcul d'un contrôleur de tension multi-variable basé sur commande H-infini afin de forcer robustement l'amplitude de tension du point de couplage commun à satisfaire des spécifications dynamiques. La même idée de la structure de commande à deux niveaux en cascade - où ce contrôleur est placé sur un niveau de commande supérieur et fournit les références de courant aux contrôleurs de courant placés sur un niveau inférieur - est également adoptée. Ensuite, la performance et la robustesse du contrôleur H-infini proposé en présence de diverses perturbations de puissance réactive de la charge et de la source photovoltaïque, ainsi que des incertitudes du modèle, sont étudiées en utilisant des simulations temporelles MATLAB/Simulink. / This thesis addresses the frequency and voltage stability issues of stand-alone microgrids with high penetration of renewable energy by making use of energy storage devices, and is divided into two main parts.In the first part, we propose a systematic design of a multi-variable robust control structure for frequency regulation in a diesel-photovoltaic-supercapacitor hybrid power generation system operating in stand-alone mode. The proposed control structure relies on a two-level architecture: classical PI-based current tracking controllers are placed on the low control level and receive references from an H-infinity-control-based upper level. A comprehensive methodology that casts the specific engineering demands of microgrid operation into H-infinity control formalism is detailed. It is also shown how closed-loop dynamic performance requirements must at their turn be taken into account in the initial microgrid setup and sizing, namely in appropriately choosing and rating the energy storage system. Then, a robust performance analysis of the synthesized H-infinity controller in the presence of various load disturbances, photovoltaic output active power variations, and model uncertainties is carried out in order to determine the maximum parameter variation range for which the imposed control performances are respected for the considered operating point. Numerical simulations performed with MATLAB/Simulink show the effectiveness of the proposed frequency robust control strategy on a MVA-rated microgrid. A rapid-prototyping test bench, which is composed of a real supercapacitor-based energy storage system and an emulated diesel-photovoltaic-load grid, is developed in order to experimentally validate this control strategy.The second part of this thesis focuses on computing an H-infinity-based multi-variable voltage controller in order to robustly force the voltage magnitude of the point of common coupling to satisfy dynamic specifications. The same idea of cascaded two-level control structure - where this controller is placed on an upper control level and provides the references to current controllers placed on a lower level - is aslo adopted. Then, the performance and robustness of the proposed H-infinity controller in the presence of various load and photovoltaic reactive power disturbances, as well as model uncertainties, are studied based on MATLAB/Simulink time-domain simulations.

Un problème fondamental à résoudre en Automatique réside dans la commande des systèmes incertains qui présentent des contraintes sur les variables de l’entrée, de l’état ou la sortie. Ce problème peut être théoriquement résolu au moyen d’une commande optimale. Cependant la commande optimale par principe n’est pas une commande par retour d’état ou retour de sortie et offre seulement une trajectoire optimale le plus souvent par le biais d’une solution numérique.Par conséquent, dans la pratique, le problème peut être approché par de nombreuses méthodes, tels que”commande over-ride” et ”anti-windup”. Une autre solution, devenu populaire au cours des dernières décennies est la commande prédictive. Selon cette méthode, un problème de la commande optimale est résolu à chaque instant d’échantillonnage, et le composant du vecteur de commande destiné à l’échelon curant est appliquée. En dépit de la montée en puissance des architecture de calcul temps-réel, la commande prédictive est à l’heure actuelle principalement approprié lorsque l’ordre est faible, bien connu, et souvent pour des systèmes linéaires. La version robuste de la commande prédictive est conservatrice et compliquée à mettre en œuvre, tandis que la version explicite de la commande prédictive donnant une solution affine par morceaux implique une compartimentation de l’état-espace en cellules polyédrales, très compliquée.Dans cette thèse, une solution élégante et peu coûteuse en temps de calcul est présentée pour des systèmes linéaire, variant dans le temps ou incertains. Les développements se concentre sur les dynamiques en temps discret avec contraintes polyédriques sur l’entrée et l’état (ou la sortie) des vecteurs, dont les perturbations sont bornées. Cette solution est basée sur l’interpolation entre un correcteur pour la région extérieure qui respecte les contraintes sur l’entrée et de l’état, et un autre pour la région intérieure, ce dernier plus agressif, conçue par n’importe quelle méthode classique, ayant un ensemble robuste positivement invariant associé à l’intérieur des contraintes. Une simple fonction de Lyapunov est utilisée afin d’apporter la preuve de la stabilité en boucle fermée. / A fundamental problem in automatic control is the control of uncertain plants in the presence of input and state or output constraints. An elegant and theoretically most satisfying framework is represented by optimal control policies which, however, rarely gives an analytical feedback solution, and oftentimes builds on numerical solutions (approximations).Therefore, in practice, the problem has seen many ad-hoc solutions, such as override control, anti-windup, as well as modern techniques developed during the last decades usually based on state space models. One of the popular example is Model Predictive Control (MPC) where an optimal control problem is solved at each sampling instant, and the element of the control vector meant for the nearest sampling interval is applied. In spite of the increased computational power of control computers, MPC is at present mainly suitable for low-order, nominally linear systems. The robust version of MPC is conservative and computationally complicated, while the explicit version of MPC that gives an affine state feedback solution involves a very complicated division of the state space into polyhedral cells.In this thesis a novel and computationally cheap solution is presented for linear, time-varying or uncertain, discrete-time systems with polytopic bounded control and state (or output) vectors, with bounded disturbances. The approach is based on the interpolation between a stabilizing, outer controller that respects the control and state constraints, and an inner, more aggressive controller, designed by any method that has a robustly positively invariant set within the constraints. A simple Lyapunov function is used for the proof of closed loop stability.In contrast to MPC, the new interpolation based controller is not necessarily employing an optimization criterion inspired by performance. In its explicit form, the cell partitioning is simpler that the MPC counterpart. For the implicit version, the on-line computational demand can be restricted to the solution of one linear program or quadratic program. Several simulation examples are given, including uncertain linear systems with output feedback and disturbances. Some examples are compared with MPC. The control of a laboratory ball-and-plate system is also demonstrated. It is believed that the new controller might see wide-spread use in industry, including the automotive industry, also for the control of fast, high-order systems with constraints.

Cette thèse se focalise sur le problème du contrôle des flux de puissance entre plusieurs systèmes électriques AC non-synchrones reliés par un réseau à courant continu (DC). Elle propose trois schémas de commande afin de permettre aux sous-systèmes de partager leurs efforts de réglage de la fréquence et réduire ainsi le besoin de réserves propres et les coûts associés. A partir des mesures des fréquences de toutes les zones, le premier schéma de commande modifie les puissances injectées par chaque zone AC vers le réseau DC, de manière à faire réagir le système collectivement à des déséquilibres de charge. Cette réaction collective permet à chaque zone AC de réduire sa propre réserve primaire. Le deuxième schéma de commande a le même objectif que le premier, mais il agit sur les tensions continues des convertisseurs HVDC. En particulier, il modifie la tension continue de chaque convertisseur en fonction de la déviation de fréquence de la zone AC à laquelle il est connecté. Le dernier schéma de commande vise à rétablir les fréquences et les échanges de puissance à leurs valeurs nominales et prévues, respectivement, à la suite d'un déséquilibre. Il peut être combiné avec les deux autres schémas de commande. Des étudies théoriques démontrent les propriétés de stabilité des trois schémas de commande. Les résultats de simulation sur un réseau électrique de référence avec cinq zones AC illustrent leur bonne performance. / This thesis addresses the problem of frequency control in a power system composed of several non-synchronous AC areas connected by a multi-terminal HVDC grid. For this system, we propose three control schemes, two for primary frequency control and one for secondary frequency control. Based on remote measurements of the other areas' frequencies, the first control scheme modifies the power injections from the different AC areas into the DC grid so as to make the system collectively react to load imbalances. This collective reaction allows each individual AC area to downscale its primary reserves. The second control scheme has the same objective with the first one, but acts on the DC voltages of the HVDC converters. In particular, it modifies the DC voltage of each converter based on the frequency deviation of the AC area it is connected to. The last control scheme aims at restoring the frequencies and the power exchanges to their nominal or scheduled values in the aftermath of a power imbalance. It can be combined with the other two control schemes. Theoretical studies reveal the stability properties of the three control schemes. Simulation results on a benchmark power system with five AC areas confirm their good performance.

Dans ce travail de thèse, on s’intéresse au problème de déplacement et de la localisation d'un robot mobile autonome dans son environnement local. La première partie du manuscrit les deux tâches de mouvement de base : c'est-à-dire, la stabilisation et le suivi de trajectoire. Deux stratégies de commande ont été traitées: le mode de glissement intégral, et la méthode dite «Immersion et Invariance». La deuxième partie porte sur l'asservissement visuel, les deux techniques 2D et 3D d'asservissement visuel ont été appliquées. Les moments d'image ont été choisis comme indices visuels car ils sont moins sensibles au bruit d'image et autres erreurs de mesure. Une nouvelle approche de l'asservissement visuel qui repose sur l'image est ici proposée. Elle est basée sur la génération de trajectoires sur le plan de l'image directement (calcul des valeurs des primitives d’image correspondantes à une trajectoire cartésienne donnée). Cette approche garantit que la robustesse et la stabilité bien connues de l'asservissement 2D ont été étendues en raison du fait que les emplacements initial et désiré de la caméra sont proches. Les trajectoires obtenues garantissent aussi que la cible reste dans le champ de vue de la caméra et que le mouvement du robot correspondant est physiquement réalisable. Des tests expérimentaux ont été effectués et des résultats satisfaisants ont été obtenus à partir des implémentations des stratégies de commande et d'asservissement visuel. Bien qu'ils soient développés et expérimentés dans le cadre spécifique d'un robot de type unicycle, ces travaux sont assez génériques pour être appliqués sur autres types de véhicules. / This thesis focuses on the problem of moving and localizing an autonomous mobile robot in its local environments. The first part of the manuscript concerns two basic motion tasks, namely the stabilization and trajectory tracking. Two control strategies were discussed: the integral sliding mode, and the method known as “Immersion and Invariance” for nonlinear control. The second part focuses on both 2D and 3D visual servoing techniques. Image moments were chosen as visual features as they provide a more geometric and intuitive meaning than other features, and they are less sensitive to image noise and other measurement errors. A new approach to visual servoing based on image is herein proposed. It is based on the generation of trajectories directly on the image plane (Calculation of the image features corresponding to a given Cartesian path). This approach ensures that the robustness and stability are extended due to the fact that the initial and desired locations of the camera are close. The trajectories obtained guarantee that the target remains in the field of view of the camera and the corresponding movement of the robot is physically feasible. Experimental tests have been conducted, and satisfactory results have been obtained from both implementations regarding motion control and visual servoing strategies. Although developed and tested in the specific context of a unicycle type robot, this work is generic enough to be applied to other types of vehicles.

La commande prédictive de type Model Predictive Control (MPC) s’est imposée au fil du temps dans de nombreux domaines industriels. Elle permet en effet d’optimiser avec succès les performances du système contrôlé tout en respectant de nombreuses contraintes propres à l’application visée. Cependant, l’utilisation de la commande MPC dans les domaines de la commande de moteurs et de générateurs demeure problématique. En effet, ces applications à forte dynamique imposent de choisir de faibles périodes d’échantillonnage, or, ce type d’algorithme demande de résoudre pour chaque période d’échantillonnage un problème d’optimisation complexe. Cette difficulté est renforcée car le champ applicatif visé portant sur les applications embarquées aéronautiques où la vitesse de base des machines électriques est très élevée, de même que leur fréquence d’alimentation. De plus, du fait que les systèmes étudiés sont embarqués, il est également très important de minimiser les pertes énergétiques de l’ensemble convertisseur-machine. Dans ce contexte la commande prédictive par approche MPC peut être d’un grand intérêt. De plus, ce type d’application intègre des contraintes supplémentaires liées à l’environnement sévère dans lequel évoluent ces systèmes, contraintes additionnelles de fiabilité qu’il faut bien sûr ajouter dans l’algorithme de commande prédictif. La conséquence immédiate sera de renforcer la complexité des algorithmes et donc rendre plus difficile l’implantation en temps réel. Cependant, les gains attendus en termes de performance et de fiabilité sont importants. Le sujet proposé demande ainsi dans une première partie, de synthétiser une loi de commande prédictive d’un actionneur synchrone aéronautique. Une mission type sera choisie et l’optimisation portera à la fois sur le niveau des performances du contrôle que la minimisation de la dépense énergétique. Par ailleurs, une étude de robustesse sera menée qui prendra en compte l’impact de l’environnement de l’actionneur. L’aspect robustesse sera ainsi intégré à l’étude de la commande. La seconde partie du travail portera sur le portage de l’algorithme sur cible FPGA. Une attention toute particulière sera apportée à la minimisation du temps de calcul sans détérioration des performances, le tout sous contrainte de place. Il faudra privilégier une architecture de type Système-sur-Puce qui allie la flexibilité d’un ou plusieurs cœurs processeurs et de modules matériels dédiés à l’accélération de certaines parties critiques du traitement. / Nowadays, Model Predictive Control (MPC) has emerged in many industrial fields. It allows the optimization of the controlled drive performances while respecting a number of constraints specific to the application. However, the use of MPC in the fields of motors and generators control remains problematic. Indeed, these highly dynamic applications require small sampling periods. However, these types of algorithms necessitate the resolution of complex optimization problems at each sampling period. These difficulties are reinforced in our case as the chosen field is the aeronautical embedded applications where the drive speed, as well as the frequency, is important. In addition, as the systems are embedded ones, it is important to minimize the overall energy losses of the inverter-drive system. In this context, the Model Predictive Control can be of great interest. Moreover, this type of applications integrates additional constraints related to the harsh environment in which the systems evolve, such as the reliability, which must be added in the predictive control algorithm. The immediate consequence of these constraints results in an increase of the complexity of the algorithms and therefore it becomes more difficult to implement in real time. However, the expected gains in performance and reliability are important. The proposed subject requires in the first part, to synthesize a predictive control law of an aeronautical synchronous drive. A typical mission will be selected and the optimization will be performed on both the performance level of the control and the minimization of the energy cost. Furthermore, a robustness study is to be conducted that takes into account the environmental impact of the motor drive. The second part will be on the implementation of the algorithm on FPGA target. Particular attention will be paid to minimizing the computational time without any degradation in the performances. Focus will be upon architectures of the type System-on-chip (SoC) that combines the flexibility of one or more processor cores and dedicated hardware modules for accelerating critical parts of the treatment.

La forte consommation des énergies fossiles au niveau mondial entraine une raréfaction de ces ressources et met en danger l'équilibre environnemental global du fait de la pollution qu'elle engendre. D'autres sources d'énergie dites renouvelables se développent afin de proposer un mix énergétique très diversifié et progressivement décarboné. Par exemple, dans un contexte urbain, le solaire photovoltaïque présente de nombreux atouts comme la possibilité de produire de l'électricité de façon décentralisée, l'intégration aisée dans les bâtiments et infrastructures publiques, la réduction des pertes liées au transport de l'électricité, pas de pollution sonore, pas ou peu d'impact sur l'écosystème environnant, etc. Cependant, cette source est très intermittente et difficilement prédictible (diverses échelles de temps liées au passage de nuages, cycle diurne ou cycle saisonnier) et doit être implantée dans des endroits sans ombrage d'infrastructure pour assurer la meilleure production et durée de vie. De plus, sa production n'est généralement pas temporellement en phase avec des profils de consommation de type résidentiel ou tertiaire. Afin de répondre à la problématique d'intégration des énergies renouvelables dans nos réseaux électriques conventionnels, l'usage de moyens de stockage, par exemple de type électrochimique, semble aujourd'hui la meilleure solution, en considérant le coût, la sécurité d'approvisionnement, la maturité technologique et la facilité de mise en œuvre. Ainsi, de nouveaux micro-réseaux constitués de sources décentralisées et d'éléments de stockage apparaissent en concurrence du réseau centralisé conventionnel ou en complément de ce dernier afin d'atteindre de nouveaux objectifs (stabilité accrue du réseau, mode isolé de secours en cas de panne avec possibilité d'aider le redémarrage du réseau principal, remplacement de générateurs diesel auxiliaires, etc.). Parmi les grandes transformations actuelles, les consommateurs de plus en plus acteurs et peuvent injecter tout ou partie du surplus d'énergie produit vers le réseau ou choisir de consommer de l'énergie du réseau selon leurs souhaits. Un nouveau modèle économique se dessine avec la possibilité de voir apparaître de nouvelles tarifications de l'électricité notamment liées aux prestations assurant une plus grande robustesse du réseau. Durant cette thèse, plusieurs années de données de production et de consommation d'un bâtiment photovoltaïque ont été analysées pour définir les contraintes imposées à l'unité de stockage assurant l'équilibre du micro-réseau électrique. Un modèle de performance et de vieillissement a été élaboré pour trois technologies de stockage: batteries plomb- acide, batteries lithium-ion et supercondensateurs. Celui-ci permet le dimensionnement, l'association d'éléments de stockage et la gestion optimale des flux énergétiques au sein du micro-réseau. Divers critères permettant d'évaluer le fonctionnement des micro-réseaux ont également été étudiés comme le coût annuel de l'unité de stockage, le taux d'autoconsommation de l'énergie photovoltaïque, la quantité d'énergie qui n'a pas été fournie au consommateur, etc. Une approche multi-objective, basée sur le concept d'optimum de Pareto, a été mise en œuvre afin d'optimiser les aspects économique, environnemental et d'autonomie de fonctionnement des futurs réseaux électriques distribués. Un démonstrateur basse tension continue de quelques kilowatts a été développé pour valider les différents points étudiés dans cette thèse. / Because of our global high consumption of fossil fuels, these resources are becoming scarce and the environmental equilibrium of the Earth is endangered. Other energy sources are developed in order to build a new diversified and decarbonised energy mix. For example, in an urban context, the solar photovoltaic system has many assets such as the decentralized production of electricity, easy integration in buildings, transportation losses reduction, no sound during production, low environmental impact, etc. However, the production of this energy source is highly varying, difficult to predict (several timescales, from the cloud shadows to seasonal meteorological variations) and not correlated across time with our consumption needs. In order to enable a massive penetration of renewable energy sources in our conventional grid, the use of energy storage systems (e.g. electrochemical storage) seems a promising solution, taking into account the costs, supply security, technological maturity and ease of set up. Hence, new microgrids constituted by decentralized energy sources and energy storage systems have been developed in order to replace or complement the main centralized grid by ensuring some support functions (i.e. enhancement of the grid stability, black-start operation, replacement of diesel generators, etc.). The consumers become actors able to inject a part of all their surplus energy to the main grid, if the operation is accepted by the transmission system operator. A new business model is to define, especially in the case of putting a valuation on the functions that can help the main grid. During this thesis, several years of data from production and consumption of a photovoltaic building have been analysed in order to define the operating profile of an energy storage system that ensures the equilibrium of the microgrid. A behavioural model taking into account the ageing has been made for three storage technologies: lead-acid batteries, lithium-ion batteries, and supercapacitors. It enables the optimal sizing, the hybrid association of storage systems, and the optimal energy management of the microgrid. Several criteria assessing the operation of microgrids have been studied (e.g. annual cost of the storage system, self-consumption rate, loss of load probability, etc.). A multi-objective methodology, based on Pareto optimality, has been developed in order to optimize economic, environmental, and autonomy aspects. A low voltage DC prototype of some kilowatts has been developed for validating the different concepts presented in this thesis.

Les véhicules routiers sont à une étape majeure de leur histoire. Face aux enjeux actuels d’ordre économiques et environnementaux, le véhicule routier du futur se doit d’être le moins énergivore et avoir une empreinte environnementale la plus réduite possible. Les véhicules multi sources représentent des solutions intéressantes afin de répondre à ces préoccupations. Cependant, ces véhicules utilisent des systèmes de propulsion particulièrement complexes tant au niveau de leur architecture que de leur commande. En particulier, la gestion des différentes sources d’énergie représente un point clé pour l’efficacité énergétique et environnementale des véhicules à concevoir. Elle devient un réel challenge dès que l’on dépasse le nombre usuel de deux sources comme dans le cas des véhicules hybrides actuels et des véhicules électriques mixtes (batterie et supercondensateurs). L’objectif des travaux relatifs à cette thèse est de proposer une méthodologie structurée pour la synthèse de la gestion d’énergie en temps réel, de véhicules multi-sources électriques ou hybrides. Cette démarche s’appuie sur une approche systémique utilisant la modélisation et la Représentation Energétique Macroscopique (REM) en tant qu’outil d’aide à la synthèse des modèles et de la commande associée. Une démarche systématique pour la synthèse des stratégies basées sur la commande optimale a été ensuite associée à cet ensemble profitant de la REM comme outil structurant. En effet, la REM respectant la causalité « physique » (causalité intégrale) d’une part, et permettant d’effectuer une distinction claire entre la commande dite « locale » et le niveau « stratégie » d’autre part, la formulation du problème de commande optimale est réalisée de manière efficace et structurée. Ainsi, en partant du cas du véhicule électrique avec un système multi-source batterie/supercondensateurs déjà étudiée dans la littérature, la méthode a été appliquée pour la synthèse d’une loi de gestion d’énergie basée sur la commande optimale. Ensuite, des sources ont été rajoutées pour passer au cas de trois sources en incluant une Pile à combustible puis quatre sources en rajoutant un groupe électrogène. Les principes développés sont validés par simulation et par l’intermédiaire de tests expérimentaux, afin de s’assurer entre autres, de la faisabilité en temps réel des stratégies développées. / Road vehicles are at a turning point of their history. In order to face economic and environmental challenges, road vehicle of the future must be less energy-consuming and less polluting. Multi sources vehicles represent interesting solutions in order to comply with these challenges. However, these vehicles use particularly complex propulsion systems, both on the architecture level and the control level. The management of the different energy sources represents a key issue for the energy efficiency of the vehicles to be designed. It becomes a real challenge as soon as one exceeds the usual number of two sources, as in current hybrid vehicles and mixed electric vehicles (battery and supercapacitors). The objective of the works relative to this thesis is to propose a structured method for the synthesis the energy management in real time, of electric or hybrid multi-sources vehicles. This approach is based on a systemic approach using the modeling and Energetic Macroscopic Representation (EMR) as a tool of assistance to the synthesis of the models and the related control. A systematic way for the synthesis of the strategies based on optimal control, has been associated benefitting from EMR tool. Indeed, EMR respecting “physical” causality (integral causality) on the one hand, and giving a clear distinction between the control level known as “local” and the “strategy” level on the other hand, the formulation of the optimal control problem is carried out and efficiently structured. Thus, on the basis of the electric vehicle case with a multi-source system battery/supercapacitors already studied in the literature, the method was applied for the synthesis of an energy management law based on the optimal control. Then, sources were added to pass to the case of three sources by including a Fuel cell, then four sources by adding a generator set. The developed principles are validated by simulation and experimental tests, in order to assess the feasibility in real time of the developed strategies.