En matière de gestion des eaux usées urbaines, l’évolution de la réglementation vers une approche holistique amène les gestionnaires des réseaux d’égouts et des stations de récupération des ressources de l’eau (StaRRE) à considérer le système intégré d’assainissement urbain (SIAU) de manière globale. Ce changement de paradigme ouvre la porte à des collaborations entre les domaines, autrefois considérés comme distincts, que sont le drainage urbain et le traitement des eaux usées. Dans ce contexte d’innovation et d’intégration, la modélisation devient un outil clef, permettant d’appréhender la complexité des interactions entre les différentes composantes d’un SIAU. D’autre part, les gestionnaires de SIAU sont amenés à développer la résilience de leurs systèmes pour faire face aux impacts des changements climatiques, dont les effets à long terme sont difficilement quantifiables. Cependant, les experts s’accordent à dire que les évènements de pluie d’intensité extrême deviendront plus fréquents, et viendront tester les capacités opérationnelles des infrastructures actuelles. Afin que les ouvrages continuent à fournir une performance respectant les normes en vigueur, tout en respectant les contraintes budgétaires de leurs gestionnaires, les solutions flexibles, telles que l’implantation de systèmes de contrôle en temps réel (CTR), devraient être privilégiées. D’autant plus que, grâce aux récents développements technologiques, de nouveaux outils de mesure, de communication et d’analyse, de plus en plus fiables, sont mis en marché. L’objectif de cette thèse est de proposer et d’évaluer la pertinence d’une gestion intégrée du SIAU par CTR basé sur la qualité de l’eau, utilisant des mesures de turbidité, un indicateur de la pollution particulaire, pouvant également être mesurée en concentration de matières en suspension (MeS). Ces stratégies de contrôles innovantes visent à réduire le déversement global de polluants particulaires (et des polluants associés, tels que les métaux lourds, les pathogènes, etc.) dans le milieu naturel. Dans ce cadre, un modèle intégré – réseau d’égouts et StaRRE – a été développé pour évaluer ces stratégies. Une approche de modélisation utilisant la distribution de la vitesse de chute des particules (DVCP) a été proposée pour mieux décrire les phénomènes de décantation et de remise en suspension dans l’ensemble des ouvrages et permettre ainsi une meilleure prédiction de l’évolution de la pollution particulaire lors des événements pluvieux. D’autre part, les études expérimentales ont montré que les capteurs de turbidité installés dans le SIAU sont soumis à des conditions difficiles, menant à des fautes. La perte de performance des stratégies de contrôle basées sur la qualité des eaux en cas de fautes sur le signal du capteur de turbidité a donc été évaluée. Grâce aux méthodes de détection de fautes, un système d’alarme pourrait permettre aux gestionnaires de décider du mode de gestion à adopter ou pourrait initier un basculement automatique en mode de gestion dégradé. Ce mode dégradé est défini par une stratégie de contrôle n’utilisant plus le signal fautif. Les simulations de ces scénarios ont montré la possibilité de maintenir une partie des bénéfices obtenus par les stratégies de contrôle utilisant un capteur parfait. Ces bénéfices sont conservés lorsque la faute est détectée dans un délai raisonnable - dépendant de la dynamique du système.Les résultats de cette étude laissent ainsi présager un fort potentiel d’optimisation des opérations des ouvrages de transport et de traitement des eaux usées et pluviales, particulièrement lorsqu’on considère leur utilisation de manière intégrée, plutôt qu’en tant que systèmes autonomes et distincts. D’autre part, le modèle intégré pourrait être utilisé comme outil d’aide à la décision pour déterminer les modes de gestion (integrée) les plus adaptés. Mots-clefs : contrôle en temps réel (CTR); gestion du temps de pluie ; modélisation intégrée ;système intégré d’assainissement urbain (SIAU); traitement primaire physico-chimique. / Regulation concerning urban wastewater management is evolving towards a holistic approach which leads stakeholders to increasingly consider the integrated urban wastewater system(IUWS), including the sewer system and the water resource recovery facility (WRRF), as a whole. This change of paradigm opens doors to new collaborations between the traditionally separated fields of urban drainage and wastewater treatment operation and research. In this context of innovation and integration, modelling is going to be a key tool, granting a better understanding of the complexity of interactions between the different parts of the IUWS. At the same time, the IUWS has to become more resilient to face the impacts of climate change, the long-term effects of which are difficult to quantify. Still, climate change experts agree on the increasing probability of occurrence of high intensity rain events, reaching the limits of current wastewater infrastructure operational capacities. In order for these infrastructures to continue to provide adequate performance with respect to current norms and regulations, while limiting costs and budgetary needs, flexible solutions, such as implementing real-time control (RTC) systems, should be considered. Especially since recent technological developments bring new and more reliable tools to measure water quality, and also to analyse and manage large quantities of data.This study focuses on the behaviour of the particulate pollution in the IUWS, an important water quality indicator, commonly measured as the total suspended solids (TSS) concentrationand highly correlated with turbidity measurement. As turbidity sensors are readilyavailable with increasing reliability, their operational use can be envisioned. The objective of this thesis is to develop and assess water quality-based control strategies for the IUWS. An integrated - sewer and WRRF - model, using the particle settling velocity distribution (PSVD) approach, has been proposed. This approach improves the description of particle settling and resuspension in the whole system, allowing a better forecast of TSS concentration dynamics, especially during rain events. Based on this integrated model, innovative water quality-based control strategies, aiming at reducing overall discharge of particulate pollutants (and the heavy metals, pathogens, etc. that come with it) to the receiving water during wet weather, have been proposed and successfully tested. Experimental studies demonstrated that turbidity sensors installed in the IUWS are subject to harsh conditions, leading to faulty sensor signals. The performance loss due to the use of water quality-based control strategies affected by a faulty turbidity signal has been evaluatedin detail and this has demonstrated the need for fault detection tools. When a faulty signal is detected, alarms will allow operators to decide which operating mode should be used instead of the one using the now faulty sensor. Alternatively, automatic responses and changes could be implemented to counteract the effects of a faulty signal. This last option, called downgraded operating mode, which implies reverting to a control strategy that does not use the faulty signal, has been simulated and tested. If the fault is detected within reasonable time (which depends on the system dynamics), these simulations have shown that part of the increase of performance gained with the water quality-based strategy using the good signal, can be maintained. The results of this study thus present a strong case for optimizing wastewater infrastructure operations, especially when they are considered as an integrated system, instead of autonomous and mutually exclusive systems. Furthermore, the developed integrated model may be use as a decision support tool to help determine the best possible (integrated) controlstrategy. Keywords : chemically enhanced primary treatment (CEPT); integrated modelling; integratedurban wastewater system (IUWS); real-time control (RTC); stormwater management.

Ce mémoire a pour principal objectif d’identifier des concepts de commande d’attitude et de guidage en boucle ouverte pour supporter le développement éventuel d’un lanceur canadien pouvant effectuer la mise en orbite de microsatellites. Une revue de la littérature des différents systèmes impliqués dans l’asservissement d’un lanceur est présentée. Cette revue a permis de cibler les principales difficultés rencontrées pour la commande d’attitude des lanceurs, ainsi que certaines pistes de solutions. Ces difficultés sont principalement la flexion et le ballottement des ergols. Les équations de mouvement de l’attitude d’un lanceur à corps rigide en fonction de l’angle de braquage d’une tuyère sont décrites. Des régulateurs qui stabilisent et asservissent le lanceur flexible en vitesse angulaire et en position angulaire sur le simulateur Simulink® à six degrés de liberté du RDDC Valcartier sont développés. Pour finir, deux techniques de guidage sont expliquées et testées en présence de diverses perturbations. / This memoir’s main objective is to identify concepts of attitude control and open loop guidance to support the eventual development of a Canadian launcher, capable of orbiting microsatellites. A literature review of various systems involved in the stabilization of the launcher is presented. This review pinpointed the main difficulties met for attitude control of launch vehicles, as well as some possible solutions. Those are mainly the bending and sloshing of propellant. The attitude equations of motion for a rigid body launcher as a function of the steering angle of a nozzle are described. Controllers that stabilize and control the flexible launcher angular velocity and angular position on the six degrees of freedom DRDC Valcartier Simulink® simulator are devellopped. Finally, two techniques for guidance are explained and tested in presence of various perturbations.

Ce mémoire traite du développement d'une cellule robotisée de soudage par friction malaxage de l'aluminium pour le Centre de recherche industrielle du Québec. La technologie du soudage par friction malaxage comporte plusieurs avantages par rapport au soudage traditionnel de l'aluminium à l'arc électrique. C'est un procédé qui consomme peu d'énergie, qui ne dégage aucune fumée ou gaz toxique et qui ne nécessite aucun métal d'apport. De plus, les soudures réalisées ont de meilleures propriétés mécaniques car le matériau n'atteint pas le point de fusion. Ce procédé permet par surcroît de souder des séries d'aluminium réputées comme difficilement soudables par d'autres techniques. À ce jour, on utilise principalement des machines dédiées de type portique pour effectuer ce genre de soudure. Cela a l'avantage d'une grande rigidité (requise pour ce procédé) mais d'un autre côté, il est souvent impossible de réaliser des soudures de trajectoires complexes avec ce type d'équipement. Pour cette raison, la robotisation du procédé ouvrirait la porte à de multiples applications nouvelles pour cette technologie. Bien que certains groupes se soient déjà penchés sur la question, les solutions robotisées commercialement disponibles sont très rares à ce jour et en sont à leurs premiers pas. Pour arriver à robotiser le procédé, il a d'abord fallu concevoir une tête de soudage adaptable au robot. On a également dû compenser le manque de rigidité de ce dernier. Pour ce faire, une méthode de contrôle en force a été développée. En bout de ligne, on a pu effectuer des soudures par friction malaxage robotisé sur des trajectoires linéaires, rectangulaires et tridimensionnelles. La qualité des soudures a été comparée à d'autres effectuées sur une fraiseuse, un équipement beaucoup plus rigide.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / t. 1. Chapitres 1 à 9 -- t. 2. Discussions et annexes.

La flottation en colonne est un système multivariable complexe avec une dynamique incertaine et non linéaire qui subit l'effet de perturbations non mesurées. Son optimisation est donc un défi d'envergure. Avec les techniques d'optimisation en temps réel, l'hypothèse que le système est en régime permanent alors qu'il est constamment perturbé limite la fréquence d'optimisation. Les systèmes hiérarchisés de commande permettent de prendre en compte l'incertitude et la complexité du procédé. Une approche courante pour optimiser indirectement l'opération des procédés de flottation consiste à mesurer et à réguler des variables secondaires qui sont fortement corrélées aux variables de performance. Ce projet couvre deux sujets importants. Le premier aspect est le développement d'algorithmes d'estimation des variables secondaires. Des techniques permettant l'estimation de la profondeur d'écume et du différentiel d'eau basées sur des mesures de conductivité sont développées. Un observateur dynamique non linéaire de la concentration en moussant fut également conçu, conduisant à des erreurs de 1 ppm. Finalement, un modèle de mélange Gaussien (Gaussian mixture model) a permis la mesure en-ligne de la distribution de dimension des bulles à partir d'un système d'imagerie. Le deuxième sujet est la conception de stratégies de commande visant l'optimisation indirecte du procédé. Une commande prédictive qui optimise indirectement la colonne en maximisant le taux de rétention d'air tout en assurant un différentiel d'eau positif est premièrement décrite. Une commande à modèle interne basée sur un modèle de Wiener fut également conçue pour réguler la dimension des bulles. Un barbotteur ("frit and sleeve") permet la régulation de la dimension de bulles de façon indépendante du débit superficiel du gaz, une étape clé pour contrôler le taux surfacique de bulles. Ces expériences illustrent que le taux de rétention d'air et le taux surfacique de bulles sont fortement corrélés démontrant qu'ils peuvent tous deux être employés à des fins de commande. Finalement, la commande de la distribution de la dimension des bulles est explorée. L'emploi d'un modèle de mélange Gaussien pour représenter la distribution de la dimension des bulles permet de transformer un problème d'ordre infini en une situation qui permet l'utilisation de méthodes classiques de commande

Le procédé de coagulation constitue la première étape de traitement de la chaîne conventionnelle de production d’eau potable. La détermination du dosage optimal de coagulant à appliquer est relativement complexe puisqu’elle requiert l’atteinte simultanée de plusieurs objectifs. Il est donc pertinent de développer des outils d’aide à la décision pour assister les opérateurs dans le choix de la dose de coagulant. L’objectif de l’étude était de fournir des outils aux opérateurs de l’usine de traitement des eaux (UTE) de Sainte-Foy pour les aider dans le choix du dosage de sulfate d’aluminium (alun). Dans le cadre de ce projet, quatre outils ont été ainsi développés : un modèle de prédiction du dosage d’alun à appliquer, deux modèles de prédiction de la concentration en carbone organique dissous (COD) à l’eau décantée et un capteur virtuel qui permet de prédire la concentration en COD aux eaux brute et décantée. Dans tous les cas, il s’agit de modèles neuronaux. Le premier modèle permet de prédire le dosage d’alun à appliquer en reproduisant la bonne opération antérieure effectuée à l’usine en termes de réduction de la turbidité. Les variables d’entrée du modèle sont le mois, la conductivité, la température, la turbidité et le pH à l’eau brute. L’ajustement du modèle a été effectué à partir de données d’opérations récoltées aux 5 minutes pendant 4 années (378 535 séries de données). Les dosages prédits diffèrent en moyenne de 5,9% de ceux réellement appliqués. Le second modèle permet de prédire la concentration en COD à l’eau décantée à partir de l’absorbance ultraviolet (UV) à 254 nm et du COD à l’eau brute, du pH de coagulation et de la dose d’alun appliquée. Les performances du modèle 2 ont été comparées à celles obtenues à partir de deux autres modèles empiriques provenant de la littérature et permettant de prédire la concentration en COD après coagulation. Le modèle neuronal 2 a de meilleures performances de prédiction que ces deux autres modèles empiriques. Les concentrations en COD prédites par le modèle 2 diffèrent en moyenne de 9,6% de celles réelles. Le troisième modèle prédit la concentration en COD aux eaux brute et décantée à partir de l’absorbance UV, de la température, de la turbidité et du pH. Il agit à titre de capteur virtuel de COD et permet de rendre compte de l’efficacité de l’enlèvement de la matière organique naturelle par les étapes de coagulation, floculation et décantation. Les concentrations en COD prédites par le modèle 3 diffèrent en moyenne de 13,2% de celles réelles. Enfin, le quatrième modèle permet de prédire la concentration en COD à l’eau décantée à partir de l’absorbance UV (254 nm) à l’eau brute plutôt que du COD. Les concentrations prédites par ce dernier diffèrent en moyenne de 10,9% de celles réelles. La base de données utilisée pour l’ajustement des modèles 2, 3 et 4 comprend une année de suivi de COD et d’absorbance UV (eaux brute et décantée) à raison de 2 mesures par jour et les données d’opération récoltées en continu pour la même période. Les performances des quatre modèles sont présentées et discutées en fonction de leur implantation possible à l’usine et des améliorations pouvant leur être apportées. De tous les modèles développés, le seul qui pourrait être implanté à court terme est le modèle 1. En effet, les modèles 2, 3 et 4 sont préliminaires et devraient être mis à jour à partir de bases de données plus grandes comprenant davantage de périodes de variations et rendre de meilleures performances avant de pouvoir être implantés en usine. Les modèles développés pourraient être intégrés afin de permettre aux opérateurs de choisir le dosage de coagulant à appliquer qui permettrait de faire un compromis entre les différents objectifs du procédé de coagulation. Cela pourrait améliorer encore davantage la qualité de l’eau produite. / The coagulation process is the first step of the conventional drinking water treatment chain. It is an important treatment step since it affects the efficiency of the subsequent treatment steps namely flocculation, settling, filtration and disinfection. It is relevant to develop decision aid tools to assist operators in the choice of the coagulant dose. This project aims at developing such tools. More specifically, the objective of the study was to provide tools for the operators of the Sainte-Foy water treatment plant to help them in choosing the appropriate aluminum sulphate dose (alum). As part of this project, three tools were developed: a model for the prediction of the coagulant dose, two models for the prediction of dissolved organic carbon (DOC) concentration of settled water and a virtual sensor which allows predicting DOC concentration of raw and settled waters. All models are neural network models. The first model allows the prediction of the alum dosage by mimicking the good previous operation performed at the plant in terms of turbidity reduction. The input variables of the model are the month, the conductivity, temperature, turbidity and pH of raw water. The model was developed from operation data collected every 5 minutes during 4 years (378 535 data sets). Dosages predicted vary by an average of 5,9% of those actually applied. The second model allows the prediction of the DOC of the settled water. The input variables are the UV absorbance and DOC of raw water, pH of coagulation and alum dosage applied. Performances of the second model are compared with those obtained from two others empirical models (from the literature) that allow the prediction of the DOC of the settled water. Compared to these models, the second neural model gives better prediction performance. DOC concentrations predicted by the second model vary by an average of 9,6% of those actually measured. The third model allows the prediction of the DOC of raw and settled water. The input variables are the UV absorbance, temperature, turbidity and pH. The model acts as a virtual sensor of DOC concentration and allows the evaluation of the removal efficiency of natural organic matter by the coagulation, flocculation and settling steps. DOC concentrations predicted by the third model vary by an average of 13,2% of those actually measured. Finally, the fourth model allows the prediction of the DOC of settled water from UV absorbance of raw water instead of DOC. Concentrations predicted by that model vary by an average of 10,7% of those actually measured. The database for the adjustment of the second, third, and fourth models includes one year of DOC and UV absorbance monitoring at raw and settled water performed twice daily and operation data continuously collected. The models performances are presented and discussed according to their implementation and use in the treatment plant. A way to improve developed models is also described. Actually, only the first model could be implemented on a short term basis. Models 2, 3 and 4 are actually preliminary models that would need to be updated with larger databases including more variation periods before implementation. Developed models could be integrated to allow the operators to choose the alum dosage that can afford to make a compromise between the different objectives of the coagulation process. This could further improve the treated water quality.

Les entraînements électriques à grande plage de vitesse sont des ensembles convertisseur machine qui se caractérisent par un couple à faible vitesse supérieur au couple à haute vitesse, comme dans le cas des applications de traction. Leur performance dépend fortement de la puissance apparente du convertisseur, des impédances de la machine et de la loi de commande utilisée. Les méthodes de conception qui séparent la conception de la machine de celle de l'onduleur et de celle de la loi de commande ne permettent pas toujours de trouver une solution adéquate. Il est donc nécessaire de réaliser une optimisation globale de tout l'ensemble convertisseur - machine - système de contrôle. Lors de l'optimisation, le nombre d'itérations pour arriver à une solution est important et le temps de calcul est un facteur à considérer. Ce travail présente des méthodes analytiques de modélisation adaptées pour l'optimisation des systèmes d'entraînement. Les méthodes se basent sur une modélisation de la machine sous la forme d'un circuit équivalent et une modélisation du convertisseur sous la forme de contraintes de fonctionnement. Elles permettent de calculer rapidement les courants, les tensions, les pertes, le couple, la commande et les performances pour les différents points de fonctionnement du cahier des charges. Ces modèles sont illustrés par des exemples de conception des systèmes de traction et d'un alternateur de voiture. Ce travail présente aussi un analyse des machines polyphasées en mode dégradé en utilisant les modèles développés. / A wide-speed-range electric drive is a system composed of a static converter and an electric motor that produce high torque at low speed and low torque at high speed, as in the case of a traction application. The performance is strongly influenced by the apparent power of the inverter, the impedances of the machine and the control law. The design methods that separate the design of the machine, the static converter and the control law do not always find an adequate solution. It is so necessary to carry a global optimization of the whole system. When optimizing the number of iterations is very important and the computation time is an important factor. This work presents analytic modeling methods suited for the optimization of drive systems. The methods are based in an equivalent circuit machine model and operating constraint model of the static converter. The methods rapidly calculate the currents, voltages, losses, torque, control law and performances of the different operating points of the system design specification. Those models are illustrated with traction system design examples and a car alternator design example. This work also presents an analysis of polyphase machines in fault modes.

Le projet consiste à développer un algorithme de guidage permettant à un véhicule aérien autonome (UAV) stabilisé de respecter des contraintes reliées à la mission, appelées contraintes terminales. Les contraintes visées sont l'orientation de la trajectoire et la vitesse du véhicule lors de l'atteinte de la cible, ainsi que le temps d'arrivée à cette cible. Deux approches ont été testées. La première consiste à utiliser des véhicules virtuels pour simuler le comportement d'un véhicule réel en fonction des commandes appliquées. Cet algorithme est cependant limité au respect du temps d'arrivée. La deuxième stratégie consiste à contrôler le véhicule afin d'atteindre une cible virtuelle en mouvement rectiligne qui possède la vitesse et l'orientation souhaitées, et qui croise la cible réelle au temps d'arrivée demandé. La seconde approche a été testé avec succès à l'aide d'un système "Hardware-In-the-Loop" (HIL).

Le présent ouvrage vise à étudier différents aspects reliés à la commande non-linéaire des bioprocédés et à leur caractérisation, visant leur éventuelle optimisation. Une particularité des bioprocédés est leur tendance à se comporter de manière variable dans le temps : étant constitués d'organismes vivants, ces derniers possèdent par définition une capacité d'adaptation à leur environnement, ce qui crée le phénomène. Côté opérationnel, il existe en plus une limitation face à l'instrumentation disponible. En effet, les équipements rattachés aux bioréacteurs doivent pouvoir tolérer le processus de stérilisation, qui implique l'atteinte de températures élevées (~120°C), et un certain niveau de pression. Enfin, une dernière limitation opérationnelle s'appliquant aux bioprocédés est le faible nombre de variables manipulées, fonction du mode d'opération. Suite à ces constats, plusieurs avenues peuvent être explorées afin de pallier à la situation. De manière générale, l'utilisation du débit de purge (bleed) est proposée comme variable de contrôle en mode perfusion. Une analyse en régime stationnaire est d'abord présentée, suivie du développement d'une stratégie de contrôle non-linéaire adaptative, basée sur les fondements du backstepping, et multivariable (2x2). Cette dernière est ensuite implantée en simulation, afin d'en évaluer la robustesse, la performance, et la sensibilité au bruit de mesure. L'algorithme est par la suite bonifié pour permettre le passage entre les modes perfusion et continu en toute transparence, afin de permettre de réguler les concentrations en biomasse et en substrat sans devoir se soucier si les consignes correspondent à un mode d'opération en particulier. Une méthodologie est par la suite proposée pour régler les paramètres du contrôleur, basée sur la linéarisation du modèle dynamique et le placement de pôles. Des simulations basées sur un modèle tiré de données expérimentales permettent d'en évaluer les performances, la robustesse et la sensibilité au bruit. Les transitions entre les modes d'opération sont ensuite investiguées, afin de vérifier qu'elles ne comportent aucun risque pour le système. Le dernier sujet de cet ouvrage se constitue d'analyses de marquage au carbone 13. Celles-ci permettent le suivi du passage des atomes de carbone à travers le métabolisme, et ainsi valider la présence ou l'absence de certaines voies métaboliques. Ainsi, avec un modèle métabolique plus représentatif de la réalité, des relations plus fiables pourront être tirées entre les flux métaboliques obtenus et la production visée, soit la production d'adénovirus à partir de cellules HEK-293 SF.

Le mémoire investiguera une stratégie de commande non linéaire dont l'objectif est de maximiser la puissance active Pékc de sortie d'une machine synchrone à aimant permanent à flux transverse (MSAPFT) monophasée, utilisant un redresseur actif à commutation forcée dans une application éolienne. Dans une MSAPFT, la reactance statorique Xs en p.u. est élevée et la saturation dans le noyau magnétique du stator engendre des comportements non linéaires que la stratégie de commande doit considérer. L'emphase sera portée sur le développement d'une relation entre le couple moyen T et le courant statorique is, déterminée à l'aide d'un outil de modélisation de MSAPFT, basé sur des simulations par éléments finis. C'est à partir de cette relation couple-courant qu'une loi de commande ic(T) est déduite, maximisant ainsi le couple moyen T et donc la puissance active de sortie Pélecét la machine. Des gains de puissance de l'ordre de 10% peuvent être observés lorsque l'on applique cette loi de commande ic(T) dont la valeur d'angle de phase y/opl est optimale comparativement à une loi de commande qui impose un angle de phase y/ égale à zéro. Enfin, des simulations du système de commande, incluant le modèle de MSAPFT conçu ainsi qu'un redresseur actif à MOSFET, permettent de valider ces résultats. Des essais expérimentaux de la commande en courant d'un prototype d'alternateur de MSAPFT viennent aussi appuyer l'argumentation.