Les machines triphasés tant en mode générateur que moteur n’ont aucune capacité de continuité d’opération lors de l’ouverture d’une phase. En effet, avec un onduleur à point neutre isolé, les deux phases restantes sont dépendantes et forcent l’arrêt de la machine. A contrario, les machines multiphasées ont plus de trois phases et peuvent fonctionner lors de la perte de l’une d’entre elles sans trop de perte de capacité. Cependant, la puissance extraite est alors polluée par des harmoniques comme les variables du contrôle.L’objectif de cette thèse est de concevoir le contrôle d’un générateur hexaphasé asynchrone tant en mode sain qu’en défaut. L’idée de base tient en dix sous-systèmes de contrôle représentant l’ensemble des coupures de phases possibles jusqu’à trois. Ces systèmes sont conçus pour éliminer les oscillations sur la puissance. Ensuite, un algorithme de détection est introduit pour commuter entre les contrôleurs et s’adapter à la nouvelle situation en ligne. Cependant, une commutation brutale s’accompagne toujours d’un transitoire. Un système d’initialisation du nouveau contrôleur est proposé pour adoucir la transition. La stratégie globale est mise en œuvre et prouve les performances de la méthode sur une SC6PIG de 90W / Three-phase induction machines are limited to operate in open-phase conditions in both motor and generator operating modes. Indeed, after losing one of the machine’s phases with an isolated neutral point, the two remaining phases cannot be controlled independently and the machine has to be stopped. Contrary to three-phase machines, the multiphase ones use more than three phase in the stator and thus they can operate even in phase missing conditions with a minimum de-rating. Nevertheless, for a multiphase generator, the extracted power from the machine is associated with oscillations due to the open-phase creation. In addition, the used variables in control system oscillate in these conditions as well. The goal of this thesis is therefore to design a general control system for a squirrel cage six-phase induction generator (SC6PIG) in both healthy and faulty operations. The general control system consists of ten sub control systems which are designed for all possible open-phase faults of the SC6PIG up to three-opened phases. They have been designed regarding the faulty model of the SC6PIG to eliminate the power oscillations in faulted mode. An open-phase detection and operating decider system have been introduced to switch a control system to a new one during the motion. It has been shown that the switching between two different control systems creates a transient voltage in switching instant. In order to minimize the transient voltages, on-line initial condition setting has been proposed for the ten control systems. The proposed strategy has been checked by simulation and experimentation tests on a SC6PIG rated at 90 W. They have confirmed the capacities of the proposed strategy

L’objectif de ce manuscrit est de fournir une technique de commande tolérante aux défauts basée sur la platitude différentielle. Pour ce type de systèmes, il est possible de trouver un ensemble de variables, nommées sorties plates, tel que, les états et les entrées de commande du système puissent s’exprimer en fonction de ces sorties et d’un nombre fini de ses dérivées temporelles. Le bloc de détection et d’isolation doit assurer la détection du défaut le plus rapidement possible. Cette action est effectuée en exploitant la propriété de non-unicité des sorties plates. En effet, si un deuxième jeu de sorties plates peux être trouvé et si ce deuxième jeu n’est couplé avec le premier que par une équation différentielle, le nombre des résidus permettant la détection de défauts pourra être augmenté. La condition pour cela est que les deux jeux soient différentiellement couplés ce qui signifie qu’il existe une équation qui contienne des dérivées temporelles et qui couple un élément du premier jeu avec un élément du deuxième jeu de sorties plates. En conséquence le nombre de résidus disponibles pour la détection est supérieur au nombre que l’on aurait si on avait seulement un jeu des sorties plates.En ce qui concerne la reconfiguration, si le système plat satisfait les propriétés énumérées ci-dessus, nous obtiendrons autant de valeurs des états et des entrées que le nombre de jeux de sorties plates trouvés. En effet chaque entrée de commande et chaque état du système peuvent être recalculés en fonction des sorties plates. L’approche proposée fournit de cette manière un résidu prenant en compte une mesure calculée avec le vecteur plat contenant le défaut et une autre avec le vecteur plat libre de défaut. Les signaux redondants libres de défauts seront ainsi utilisés comme références du contrôleur de manière à ce que les effets du défaut soient masqués et ne rentrent pas la boucle de commande. Ceci sera utile pour fournir une stratégie de commande entièrement basée sur les systèmes plats.Les travaux présentés dans ce mémoire sont donnés sous l’hypothèse suivante: Les sorties plates sont fonctions de l’état du système, néanmoins dans ce manuscrit elles seront limitées à être directement une partie de l’état du système ou une combinaison linéaire d’entre eux. La boucle de commande est fermée avec un correcteur par retour d’état.Enfin pour les travaux réalisés en fin de manuscrit les sorties plates doivent pouvoir être mesurées ou reconstruites.Les défauts affectant les actionneurs sont considérés rejetés par le contrôleur, par conséquent la reconfiguration est seulement effectuée après la détection d’un défaut capteur.La faisabilité de l’approche proposée est analysée sur deux systèmes non linéaires, un drone quadrirotor et un système de trois cuves. / The objective of this Ph.D. work is to provide a flatness based active fault-tolerant control technique. For such systems, it is possible to find a set of variables, named flat outputs, such that states and control inputs can be expressed as functions of flat outputs and their time derivatives. The fault detection and isolation block has to provide a fast and accurate fault isolation. This action is carried out by exploiting the non-uniqueness property of the flat outputs. In fact, if a second set of flat outputs which are coupled by a differential equation of the first is calculated, bthe number of residues augments. Differentially coupled means that it exists an equation with time derivatives inside, that couple one element of the first set with one of the second. As a consequence of augmenting the number of residual signal more faults than in the one set case may be isolated.Regarding reconfiguration, if the flat system complies with the properties listed above, we will obtain versions of states and control inputs as much of flat output vectors, are found, because each control input and state is a function of the flat output. The proposed approach provides in this manner one measure related to a faulty flat output vector and one or more computed by using an unfaulty one. The redundant state signals could be used as reference of the controller in order to hide the fault effects. This will be helpful to provide an entirely flatness based fault-tolerant control strategy.The works presented in this manuscript are under the following hypothesis: The flat outputs are functions of the state of the system, however in this work the flat outputs are constrained to be states of the system or a linear combination of them.The control loop is closed with a state feedback controller.For purposes of this work flat outputs need to be measured.Faults affecting the actuators are considered rejected by the controller; by consequence reconfiguration is only carried out after a sensor fault occurs.Feasibility of the proposed approach is analyzed in two nonlinear plants, an unmanned quadrotor and a three tank system.

Les travaux de recherche traités dans cette thèse s’appuient sur l’expertise des actionsmenées entre l’Agence spatiale européenne (ESA), l’industrie Thales Alenia Space (TAS) et le laboratoirede l’Intégration du Matériau au Système (IMS) qui développent de nouvelles générations d’unités intégréesde guidage, navigation et pilotage (GNC) avec une fonction de détection des défauts et de tolérance desdéfauts. La mission de référence retenue dans cette thèse est la mission de retour d’échantillons martiens(Mars Sample Return, MSR) de l’ESA. Ce travail se concentre sur la séquence terminale du rendez-vous dela mission MSR qui correspond aux dernières centaines de mètres jusqu’à la capture. Le véhicule chasseurest l’orbiteur MSR (chasseur), alors que la cible passive est un conteneur sphérique. L’objectif au niveaude contrôle est de réaliser la capture avec une précision inférieure à quelques centimètres. Les travaux derecherche traités dans cette thèse s’intéressent au développement des approches sur base de modèle de détectionet d’isolation des défauts (FDI) et de commande tolérante aux défaillances (FTC), qui pourraientaugmenter d’une manière significative l’autonomie opérationnelle et fonctionnelle du chasseur pendant lerendez-vous et, d’une manière plus générale, d’un vaisseau spatial impliqué dans des missions située dansl’espace lointain. Dès lors que la redondance existe dans les capteurs et que les roues de réaction ne sontpas utilisées durant la phase de rendez-vous, le travail présenté dans cette thèse est orienté seulementvers les systèmes de propulsion par tuyères. Les défaillances examinées ont été définies conformément auxexigences de l’ESA et de TAS et suivant leurs expériences. Les approches FDI/FTC présentées s’appuientsur la redondance de capteurs, la redirection de contrôle et sur les méthodes de réallocation de contrôle,ainsi que le FDI hiérarchique, y compris les approches à base de signaux au niveau de capteurs, les approchesà base de modèle de détection/localisation de défauts de propulseur et la surveillance de sécuritéde trajectoire. Utilisant un simulateur industriel de haute-fidélité, les indices de performance et de fiabilitéFDI, qui ont été soigneusement choisis accompagnés des campagnes de simulation de robustesse/sensibilitéMonte Carlo, démontrent la viabilité des approches proposées. / The work addressed in this thesis draws expertise from actions undertaken between the EuropeanSpace Agency (ESA), the industry Thales Alenia Space (TAS) and the IMS laboratory (laboratoirede l’Intégration du Matériau au Système) which develop new generations of integrated Guidance, Navigationand Control (GNC) units with fault detection and tolerance capabilities. The reference mission isthe ESA’s Mars Sample Return (MSR) mission. The presented work focuses on the terminal rendezvoussequence of the MSR mission which corresponds to the last few hundred meters until the capture. Thechaser vehicle is the MSR Orbiter, while the passive target is a diameter spherical container. The objectiveat control level is a capture achievement with an accuracy better than a few centimeter. The research workaddressed in this thesis is concerned by the development of model-based Fault Detection and Isolation(FDI) and Fault Tolerant Control (FTC) approaches that could significantly increase the operational andfunctional autonomy of the chaser during rendezvous, and more generally, of spacecraft involved in deepspace missions. Since redundancy exist in the sensors and since the reaction wheels are not used duringthe rendezvous phase, the work presented in this thesis focuses only on the thruster-based propulsionsystem. The investigated faults have been defined in accordance with ESA and TAS requirements andfollowing their experiences. The presented FDI/FTC approaches relies on hardware redundancy in sensors,control redirection and control re-allocation methods and a hierarchical FDI including signal-basedapproaches at sensor level, model-based approaches for thruster fault detection/isolation and trajectorysafety monitoring. Carefully selected performance and reliability indices together with Monte Carlo simulationcampaigns, using a high-fidelity industrial simulator, demonstrate the viability of the proposedapproaches.

Ce travail porte sur le diagnostic et la commande tolérante aux défauts des systèmes linéaires stochastiques. Il se décompose en deux parties: - la première phase du travail présenté porte sur la conception d'un filtre de détection robuste. Il a été défini afin que le résidu directionnel qui en résulte soit le plus insensible possible aux incertitudes de modèle et aux incertitudes stochastiques. L'approche développée diffère des approches classiques existant dans la littérature car le filtre de détection est synthétisé sur la base d'une inversion du système. Une fois paramétrées toutes les inverses à gauche du système (pour remonter à la source des défauts) grâce à l'étude de la structure des zéros infinis du système, les degrés de liberté restant à disposition sont utilisés pour minimiser la sensibilité du résidu généré aux différentes perturbations stochastiques. Cette approche a permis de définir le filtrage d'état optimal d'une partie réduite du vecteur d'état du système de dimension maximale. En d'autres termes, l'effet des défauts sur l'erreur d'estimation d'état du filtre a été réduite à son maximum sous la contrainte que suffisamment d'informations restent disponibles pour les détecter et les localiser dans l'espace de sortie. - la deuxième partie concerne l'intégration du filtre de détection dans une commande tolérante aux défauts. La structure deadbeat de l'espace de détection du filtre est à la base de la conception de deux lois de commande tolérantes aux défauts à réactivité maximale. La première est basée sur le filtre de détection à état augmenté et sur le principe de séparation bien connu dans le cadre LQG. La loi de commande a été obtenue par un rejet des modes non contrôlables. Cette approche a débouché sur une commande de type LTR (Left Transfer Recovery) obtenue par le calcul explicite de l'inverse à gauche du système. Tout comme la première approche, la deuxième loi de commande se fonde sur le filtre de détection mais se caractérise par la définition optimale d'une loi de commande additive. Son application à un benchmark défini dans le cadre du projet IFATIS (Intelligent Fault Tolerant Control in Integrated Systems) a permis de mettre en avant la forte réactivité de la commande face à l'apparition brutale d'un ou de plusieurs défauts sur le système. Il s'avère en effet que la commande mise en oeuvre permet d'annuler plus rapidement les effets néfastes engendrés par les défauts en comparaison d'une commande de type PI standard toujours plus lente à réagir.

The scope of the thesis is the analysis and design of fault tolerant control (FTC) schemes through the use of set-theoretic methods. In the framework of multisensor schemes, the faults appearance and the modalities to accurately detect them are investigated as well as the design of control laws which assure the closed-loop stability. By using invariant/contractive sets to describe the residual signals, a fault detection and isolation (FDI) mechanism with reduced computational demands is implemented based on set-separation. A dual mechanism, implemented by a recovery block, which certificates previously fault-affected sensors is also studied. From a broader theoretical perspective, we point to the conditions which allow the inclusion of {FDI} objectives in the control law design. This leads to static feedback gains synthesis by means of numerically attractive optimization problems. Depending on the parameters selected for tuning, is shown that the FTC design can be completed by a reference governor or a predictive control scheme which adapts the state trajectory and the feedback control action in order to assure {FDI}. When necessary, the specific issues originated by the use of set-theoretic methods are detailed and various improvements are proposed towards: invariant set construction, mixed integer programming (MIP), stability for switched systems (dwell-time notions).

Vu l’importance que revêt la sûreté de fonctionnement des convertisseurs statiques dans plusieurs domaines (traction électrique, génération de l’énergie électrique à partir de l’énergie éolienne, etc,... ), il est nécessaire d'examiner la continuité de service de ces systèmes même dans le cas d’un dysfonctionnement d’un des modules IGBT, d’un bras de l’onduleur ou d'une phase de machine. Ainsi, il est indispensable de concevoir de nouvelles architectures matérielles et commandes logicielles capables de fonctionner à puissance significative même en présence de défaillance touchant le système et plus particulièrement les modules IGBT de l’onduleur. Le sujet proposé s’intéresse à une nouvelle structure hybride multiniveaux tolérante aux défauts. Elle consiste à ajouter à un convertisseur triphasé 3-niveaux type NPC (Neutral Point Clamped), un quatrième bras 3-niveaux types FC (Flying Cap). Des nouvelles techniques des différentes parties de la tolérance des pannes, à savoir la détection, l’isolation, la reconfiguration matérielle et la commande en mode dégradé, sont proposées, analysées et validées sur un prototype expérimental de 15kW de puissance. / Given the importance of power converter safety operation in several fields (electric traction, renewable energy, etc ..), it is necessary to examine availability of these systems in the case of malfunction of an IGBT module, a converter leg or a phase machine. Thus, it is essential to develop new hardware architectures and software controls capable of operating at significant power after fault occurence. This thesis deals with a new multilevel fault tolerant hybrid topology. It consists on adding to a 3-phase 3-level NPC (Neutral Point Clamped) inverter, a fourth 3-level FC (Flying Cap) leg. New techniques of fault tolerance parts, namely detection, isolation, reconfiguration and system control during post fault mode, are proposed, analyzed and validated with a 15kW experimental converter prototype.

Le véhicule autonome offre plusieurs avantages : le confort, la réduction du stress, et la réduction de la mortalité routière. Néanmoins, les accidents mortels impliquant sa responsabilité, ont mis en exergue ses limitations et ses imperfections. Ces accidents soulèvent des questions sur la fiabilité et des voix ont fait part d'une forte préoccupation pour la sécurité des usagers du véhicule autonome. En outre, les tâches de perception et de localisation des véhicules autonomes peuvent avoir des incohérences amenant à des erreurs qui nuiraient à la stabilité du véhicule. Les sources de ces incohérences peuvent être de natures différentes et agir à la fois sur le capteur lui-même (Hardware), ou bien sur le post-traitement de l'information (Software). Dans ce contexte, plusieurs difficultés doivent être surmontées pour arriver à sécuriser l'interaction des systèmes automatisés de conduite avec les conducteurs humains face à ces problèmes, l'adoption d'une stratégie de commande tolérante aux défauts est primordiale. Dans le cadre de cette thèse, des stratégies de détection et de tolérance aux fautes pour la perception et la localisation sont mise en œuvre. En outre, des stratégies de détection et d'estimation de défauts pour les capteurs proprioceptifs sont par ailleurs proposées. L'objectif est d'avoir une localisation fiable de défaut et assurer un fonctionnement avec des performances acceptables. Par ailleurs, vue l'imprédictibilité et la variété des scènes routières, une fusion tolérante aux fautes à base des algorithmes de vote est élaborée pour une meilleure perception. La fusion tire profit des technologies actuelles de détection d'obstacles (détection par radio, faisceaux lumineux ou par caméra) et l'algorithme de vote assure une sortie qui s'approche le plus de la réalité. Des tests avec des données réelles issues d'un véhicule démonstrateur sont utilisés pour valider les approches proposées dans cette thèse. / Driverless vehicle offers several advantages: comfort, reduced stress, and reduced road mortality. Nevertheless, fatal accidents involving its responsibility, have highlighted its limitations and imperfections. These accidents raise questions about autonomous vehicle reliability, and voices expressed a strong concern for the safety of users of the autonomous vehicle. Furthermore, the tasks of perception and localization of autonomous vehicles may have inconsistencies leading to errors that would affect the stability of the vehicle. The sources of these inconsistencies can be of different natures and act both on the sensor itself (Hardware), or on the post-processing of information (Software). In this context, several difficulties must be overcome to secure the interaction of automated driving systems with human drivers facing these problems, the adoption of a fault-tolerant control strategy is paramount. In this thesis, a fault detection and fault tolerant control strategies for perception and localization are implemented. In addition, fault estimation strategies for proprioceptive sensors are also proposed. The purpose is to have a reliable fault localization and ensure acceptable performance. Moreover, given the unpredictability and variety of road scenes, a fault-tolerant fusion based on voting algorithms is developed for a better perception. The fusion takes advantage of current obstacle detection technologies (radio, light beam or camera detection) and the voting algorithm provides an output that is closest to reality. Tests with real data from a demonstrator vehicle are used to validate the approaches proposed in this thesis.

La thèse est dédiée à l'analyse et à la conception de la commande tolérante aux défauts (fault tolerant control - FTC) en se fondant sur des méthodes ensemblistes. Nous étudions l'apparition des défauts pour les systèmes multi-capteurs, et les modes de détection, ainsi que la conception de lois de commande qui assurent la stabilité en boucle fermée. L'utilisation des ensembles invariants/contractifs permet la caractérisation des signaux résiduels, qui sont utilisés par la suite dans le processus de détection et d'isolement des défauts. La décision est fondée sur le positionnement par rapport à des hyperplans de séparation avec des importantes réductions de temps de calcul. Un mécanisme dual mis en œuvre par un bloc de récupération, permet la certification de la récupération des capteurs précédemment affectés par ces défauts.Dans une perspective théorique, nous soulignons les conditions qui permettent l'inclusion du bloc FDI (fault detection and isolation) et sa raison d'être dans la conception des lois de commande. Cela conduit par exemple à la synthèse des gains de retour d'état statique, par résolution de problèmes d'optimisation efficace (linéaire/convexe).Selon les paramètres choisis pour le réglage, la conception de la FTC peut être complétée par un superviseur de référence ou d'une loi de commande prédictive, qui adapte la trajectoire d'état et l'action de commande par retour d'état, afin d'assurer l'identification et la détection des défauts. Les questions spécifiques à l'utilisation de méthodes ensemblistes sont détaillées et des améliorations diverses sont proposées, par exemple : la construction des ensembles invariants, des formulations moins complexes des problèmes de type Mixed Integer Programming (MIP), l'analyse de la stabilité des systèmes commutés (notion de ``dwell-time''). / The scope of the thesis is the analysis and design of fault tolerant control (FTC) schemes through the use of set-theoretic methods. In the framework of multisensor schemes, the faults appearance and the modalities to accurately detect them are investigated as well as the design of control laws which assure the closed-loop stability. By using invariant/contractive sets to describe the residual signals, a fault detection and isolation (FDI) mechanism with reduced computational demands is implemented based on set-separation. A dual mechanism, implemented by a recovery block, which certificates previously fault-affected sensors is also studied. From a broader theoretical perspective, we point to the conditions which allow the inclusion of {FDI} objectives in the control law design. This leads to static feedback gains synthesis by means of numerically attractive optimization problems. Depending on the parameters selected for tuning, is shown that the FTC design can be completed by a reference governor or a predictive control scheme which adapts the state trajectory and the feedback control action in order to assure {FDI}. When necessary, the specific issues originated by the use of set-theoretic methods are detailed and various improvements are proposed towards: invariant set construction, mixed integer programming (MIP), stability for switched systems (dwell-time notions).

On considère la synthèse de la commande basée sur un asservissement affecté par des retards. L’approche utilisée repose sur des méthodes ensemblistes. Une partie de cette thèse est consacrée à une conception de commande active pour la compensation des retards qui apparaissent dans des canaux de communication entre le capteur et correcteur. Ce problème est considéré dans une perspective générale du cadre de commande tolérante aux défauts où des retards variés sont vus comme un mode particulier de dégradation du capteur. Le cas avec transmission de mesure retardée pour des systèmes avec des capteurs redondants est également examiné. Par conséquent, un cadre unifié est proposé afin de régler le problème de commande basé sur la transmission des mesures avec retard qui peuvent également être fournies par des capteurs qui sont affectés par des défauts soudains.Dans la deuxième partie le concept d’invariance positive pour des systèmes linéaires à retard à temps discret est exposé. En ce qui concerne l’invariance pour cette classe des systèmes dynamiques, il existe deux idées principales. La première approche repose sur la réécriture d’un tel système dans l’espace d’état augmenté et de le considérer comme un système linéaire. D’autre part, la seconde approche considère l’invariance dans l’espace d’état initial. Cependant, la caractérisation d’un tel ensemble invariant est encore une question ouverte, même pour le cas linéaire. Par conséquent, l’objectif de cette thèse est d’introduire une notion générale d’invariance positive pour des systèmes linéaires à retard à temps discret. Également, certains nouveaux éclairages sur l’existence et la construction pour les ensembles invariants positifs robustes sont détaillés. En outre, les nouveaux concepts d’invariance alternatives sont décrits. / We considered the process regulation which is based on feedback affected by varying delays. Proposed approach relies on set-based control methods. One part of the thesis examines active control design for compensation of delays in sensor-to controller communication channel. This problem is regarded in a general perspective of the fault tolerant control where delays are considered as a particular degradation mode of the sensor. Obtained results are also adapted to the systems with redundant sensing elements that are prone to abrupt faults. In this sense, an unified framework is proposed in order to address the control design with outdated measurements provided by unreliable sensors.Positive invariance for linear discrete-time systems with delays is outlined in the second part of the thesis. Concerning this class of dynamics, there are two main approaches which define positive invariance. The first one relies on rewriting a delay-difference equation in the augmented state-space and applying standard analysis and control design tools for the linear systems. The second approach considers invariance in the initial state-space. However, the initial state-space characterization is still an open problem even for the linear case and it represents our main subject of interest. As a contribution, we provide new insights on the existence of the positively invariant sets in the initial state-space. Moreover, a construction algorithm for the minimal robust D-invariant set is outlined. Additionally, alternative invariance concepts are discussed.

Cette thèse traite le problème de l'estimation d'état, du diagnostic et de commande tolérante aux défauts des systèmes non linéaires représentés par un modèle de Takagi-Sugeno (T-S) à variables de prémisse non mesurables. De nombreux algorithmes pour la synthèse d'observateurs robustes vis-à-vis des perturbations, des imperfections de modélisation et des entrées inconnues sont présentés en se basant sur quatre types d'observateurs : les observateurs proportionnels, les observateurs à entrées inconnues, les observateurs proportionnel intégral (PI) et multi-intégral (PMI). Par la suite, ces derniers sont utilisés pour le diagnostic de fautes des systèmes non linéaires. Ceci est réalisé au moyen de trois stratégies. La première utilise l'observateur à entrée inconnue par découplage afin de rendre l'observateur insensible à certains défauts et permettre de détecter et d'isoler les défauts en construisant des bancs d'observateurs. En raison des conditions structurelles souvent insatisfaites, le découplage total des défauts de l'erreur d'estimation d'état n'est pas réalisable. Afin de s'affranchir de ces contraintes, la seconde stratégie utilise les observateurs PI et PMI pour estimer simultanément l'état et les défauts du système. La troisième stratégie qui utilise le formalisme H_inf vise à concevoir un générateur de résidus minimisant l'influence des perturbations et maximisant l'influence des défauts. Un choix adéquat des paramètres du générateur de résidus permet la détection, la localisation et l'estimation des défauts. Enfin, une loi de commande tolérante aux défauts par poursuite de trajectoire d'un modèle de référence est proposée en exploitant les observateurs PI et PMI.