Le travail réalisé dans cette thèse concerne l'étude du diagnostic de fautes et la reconfiguration en utilisant une approche issue de l'analyse structurelle et leurs applications sur un modèle de traitement des eaux usées. Dans une première partie, on fait un bref tour d'horizon sur la recherche dédiée au diagnostic et à la commande tolérante aux fautes, puis nous présentons les outils nécessaires de l'analyse structurelle. Ces derniers ont été appliqués sur l'approche choisie (l'approche structurelle) pour la détection et l'isolation de défauts, ainsi que pour la reconfiguration. Pour le diagnostic structurel, l'étape principale consiste à chercher les ensembles MSO qui servent à la génération des résidus. Une étude comparative de quelques algorithmes de recherche de ces ensembles a été faite pour choisir la méthode la plus efficace, la méthode choisie est celle de Krysander et al. La recherche des ensembles MSO est faite dans le sous système sur-déterminé. Pour l'amélioration de l'isolabilité structurelle, deux méthodes sont citées : la première consiste à considérer certaines fautes comme variables internes du système et la deuxième concerne l'ajout de capteurs. Pour la reconfiguration structurelle, on s'est basé sur les propriétés d'observabilité et de commandabilité structurelles. Notre but est de trouver la structure du système qui nous permet de garder les propriétés structurelles inchangées. Lors de l'application, nous étudions le cas où les fautes sont commises sur les actionneurs à savoir le débit de boues recyclées (Qr) et le débit de boues en excès (Qw), et sur les paramètres du système qui sont le taux maximum de croissance de la biomasse (µH,max) et la constante de Michaelis Menten (Ks).

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

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur la synthèse d'observateurs intervalles pour la commande tolérante aux fautes de systèmes incertains. La présence de défauts, d'incertitudes et de perturbations peut provoquer des réactions indésirables du système commandé. Dans ce contexte, nous avons développé deux approches de commande tolérante aux fautes basées sur des observateurs intervalles dans le cas où les défauts et les incertitudes sont inconnus mais bornés. La première approche, dite passive, permet de garantir la stabilité du système en boucle fermée y compris en présence de défauts actionneurs et/ou composants. La seconde approche, dite active, permet de compenser l'effet des défauts et d'assurer la stabilité et les performances désirées du système. Ces contributions sont validées par des simulations numériques. / The research work presented in this thesis focuses on the design of interval observers for fault-tolerant control of uncertain systems. The presence of faults, uncertainties and disturbances in automated systems often causes undesirable reactions. In this context, two approaches of fault tolerant control have been developed based on interval observers in the case where the faults and the uncertainties are unknown but bounded. The first approach is passive and consists in ensuring the closed loop system stability even in the presence of actuator and/or component faults. The second approach, an active one, compensates the fault effect and ensures the system stability and desired performances. These contributions are validated through numerical simulations.

Cette thèse propose une nouvelle approche de détection de défauts pour des systèmes linéaires soumis à des incertitudes par intervalles, des perturbations et des bruits de mesures bornés. Dans ce contexte, la détection de défauts est fondée sur une estimation ensembliste de l'état du système. Les contributions de cette thèse concernent trois directions principales :- La première partie propose une méthode d'estimation d'état ensembliste améliorée combinant l'estimation à base des zonotopes (qui offre une bonne précision) et l'estimation à base d'ellipsoïdes (qui offre une complexité réduite).- Dans la deuxième partie, une nouvelle approche d'estimation d'état ellipsoïdale fondée sur la minimisation du rayon de l'ellipsoïde est développée. Dans ce cadre, des systèmes multivariables linéaires invariants dans le temps, ainsi que des systèmes linéaires variants dans le temps ont été considérés. Ces approches, résolues à l'aide de problèmes d'optimisation sous la forme d'Inégalités Matricielles Linéaires, ont été étendues au cas des systèmes soumis à des incertitudes par intervalles.- Dans la continuité des approches précédentes, deux techniques de détection de défauts ont été proposées dans la troisième partie utilisant les méthodes d'estimation ensemblistes. La première technique permet de détecter des défauts capteur en testant la cohérence entre le modèle et les mesures. La deuxième technique fondée sur les modèles multiples permet de traiter simultanément les défauts actionneur/composant/capteur. Une commande prédictive Min-Max a été développée afin de déterminer la commande optimale et le meilleur modèle à utiliser pour le système, malgré la présence des différents défauts. / This thesis proposes a new Fault Detection approach for linear systems with interval uncertainties, bounded perturbations and bounded measurement noises. In this context, the Fault Detection is based on a set-membership state estimation of the system. The main contributions of this thesis are divided into three parts:- The first part proposes an improved method which combines the good accuracy of the zonotopic set-membership state estimation and the reduced complexity of the ellipsoidal set-membership estimation.- In the second part, a new ellipsoidal state estimation approach based on the minimization of the ellipsoidal radius is developed, leading to Linear Matrix Inequality optimization problems. In this context, both multivariable linear time-invariant systems and linear time-variant systems are considered. An extension of these approaches to systems with interval uncertainties is also proposed. - In the continuity of the previous approaches, two Fault Detection techniques have been proposed in the third part based on these set-membership estimation techniques. The first technique allows to detect sensor faults by checking the consistency between the model and the measurements. The second technique is based on Multiple Models. It deals with actuator/component/sensor faults in the same time. A Min-Max Model Predictive Control is developed in order to find the optimal control and the best model to use for the system in spite of the presence of these faults.

Cette thèse porte sur la représentation T-S des systèmes non linéaires et les non-linéarités qui leur sont associées (saturation et paramètres variants dans le temps) pour la commande et le diagnostic. Ainsi, une nouvelle approche utilisant la transformation par secteurs non linéaires permet de ré-écrire le système sous forme polytopique en prenant en compte la présence de paramètres variants dans le temps. Cette forme polytopique est ensuite utile pour la synthèse d'observateurs assurant l'estimation simultanée de l'état et des paramètres du système. Une application au diagnostic est également considérée en comparant les valeurs des paramètres estimés en ligne avec leurs valeurs nominales supposées connues et représentatives du mode de fonctionnement non défaillant. Concernant la commande, la contrainte de saturation est représentée sous forme de modèle T-S et est intégrée au modèle du système. La synthèse de plusieurs lois de commande assurant la stabilité du système bouclé, en prenant en compte les limites de saturation est proposée. La poursuite de modèle de référence est également traitée avec la mise en évidence des conditions structurelles de poursuite pour les modèles non linéaires sous forme T-S. L'accent est mis sur les différents critères de choix de commande en fonction des buts recherchés / A first contribution of this thesis is to propose a systematic procedure to deal with the state and parameter estimation for nonlinear time-varying systems. It consists in transforming the original system into a T-S model with unmeasurable premise variables using the sector nonlinearity transformation. Then a joint state and parameter observer is designed and the convergence conditions of the joint state and parameter estimation errors are established. The second contribution of this thesis is the stabilization problem under saturation constraints. In fact, we aim to present a new approach for the saturation nonlinearity study, where the sector nonlinearity transformation is used to represent the nonlinear behaviour of a saturated actuator under a T-S form. The T-S representation of the saturation is used to integrate the limitation constraints into the control synthesis, such that the system stability is ensured and the controller gains are calculated according to the saturation level. The model reference tracking control problem is also addressed. It aims to highlight the encoutered difficulties and the proposed solutions to achieve the tracking objective. Through analytical studies, by presenting clear structural conditions and control strategies, we try to point and answer some major interogations, that are : "how the model reference is to be chosen ? " and "which tracking criterion to consider to achieve a certain objective ? ". The case of constrained control input is also considered with a special focus on the anticipation for the saturated control

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 observateursproportionnels, 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 affectant 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 H8 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 estproposée en exploitant les observateurs PI et PMI / This thesis deals with state estimation, fault diagnosis and fault tolerant control of nonlinear systems represented by a Takagi-Sugeno model with unmeasurable premise variables. The problem of state estimation of nonlinear systems with T-S model with unmeasurable premise variable is explored. Algorithms for robust observers synthesis with respect to perturbations, modeling uncertainties and unknown inputs are afterward presented. These algorithms are based on four kinds of observers called proportional, unknown input observers (UIOs), proportional-integral (PI) and multiple-integral (PMI) . The application on model-based diagnosis is studied based on three strategies. The first one uses unknown input observer to decouple some faults and makes the observers insensitive to certain faults. This allows to detect and isolate faults by constructing observers banks. Due to strong structural conditions on designing UIOs decoupling the faults on the state estimation error is not possible. To avoid this problem, the second strategy uses PI and PMI observers in order to estimate simultaneously the state and the faults of the system. The third strategy uses the H8 formalism. This aims to minimize the influence of perturbations and to maximize the effects of faults on the residual signal. An adequate choice of the residual generator parameters allows to detect, to isolate and to estimate the faults affecting the system. Lastly, a fault tolerant control law is proposed by reference trajectory tracking based on the use of PI and PMI observers

L’objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de diagnostic dans le cas d'une commande en vitesse sans capteur mécanique (vitesse/position) d’une machine asynchrone triphasée en présence de défaut d'ouverture des transistors IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) de l’onduleur. Une étude de l’impact de ces défauts sur les performances de ces structures sans capteur mécanique en termes de stabilité et de robustesse des observateurs en mode dégradé est présentée. Un observateur par mode glissant (Sliding Mode Observer) à base de modèle est développé et validé expérimentalement en vue de la commande sans capteur mécanique de la machine asynchrone triphasée. Les signaux issus de l’observateur (approche modèle) sont utilisés conjointement avec ceux mesurés (approche signale) pour former une approche hybride de diagnostic de défauts des transistors IGBT de l’onduleur. Un observateur par mode glissant d’ordre 2 à base d’un algorithme Super-Twisting est ensuite développé en vue d’améliorer la stabilité et d’assurer la continuité de fonctionnement du système en présence d'un défaut afin de pouvoir appliquer une stratégie de commande tolérante aux défauts dans les meilleures délais et conditions de fonctionnement. / The main goal of this thesis is to propose diagnostic strategies in the case of a sensorless speed control of a three-phase induction motor under an opened-switch or opened-phase fault. A qualitative analysis of the performances, in terms of stability and robustness, of sensorless control applied to the electrical drive in pre-fault and post-fault operation modes is presented. A model-based sliding mode observer is developed and experimentally validated for sensorless speed control of three-phase induction motor. The signals issued from the observer (model approach) as well as the measured ones (signal approach) are simultaneously used to form a hybrid approach for inverter open-switch fault detection and identification. A second-order sliding mode observer based on Super-Twisting algorithm (STA) is also developed to improve the stability and to ensure the continuity of operation of the electrical drive especially during transient states induced by the fault, permitting thus to apply the reconfiguration step without losing the control

L'objectif de cette thèse est d'optimiser l'utilisation d'actionneurs redondants pour un avion de transport lorsqu'une défaillance des actionneurs arrive en vol. La tolérance aux pannes résulte ici de la redondance des actionneurs présents sur l'avion. Différents concepts et méthodes classiques liés aux chaînes de commande de vol tolérantes aux pannes sont d'abord examinés et de nouveaux concepts utiles pour l'analyse requise sont introduits. Le problème qui est abordé ici est de développer une méthode de gestion des pannes des commandes de vol dans le cas d'une défaillance partielle des actionneurs, qui va permettre à l'avion de poursuivre en toute sécurité la manœuvre prévue. Une approche de commande en deux étapes est proposée et appliquée à la fois à l'évaluation de la manœuvrabilité restante et à la conception de structures de commande tolérante aux pannes. Dans le premier cas, une méthode d'évaluation hors ligne des qualités de vol basée sur la commande prédictive est proposée. Dans le second cas, une structure de commande tolérante aux pannes basée sur la commande non linéaire inverse et la réaffectation des actionneurs en ligne est développée. Dans les deux cas, un problème de programmation linéaire quadratique (LQ) est formulé. Différents cas de pannes sont considérés lorsqu'un avion effectue une manœuvre classique. Trois solveurs numériques sont appliqués aux solutions en ligne et hors ligne des problèmes LQ qui en résultent.

Les capacités installées d’énergie éolienne continuent à croître rapidement et prennent une place de plus en plus significative dans le monde. Au fur et à mesure, les études menées sur la conception, la sureté de fonctionnement et la supervision de la chaîne éolienne ont pris progressivement de l’importance. Deux axes de recherche ont été privilégiés dans cette thèse. Le premier concerne la continuité de service d'une éolienne connectée au réseau en présence de défaut de court-circuit entre spires dans une phase du stator de la génératrice asynchrone à cage d'écureuil. L'analyse du défaut ainsi que son impact sur le système éolien et notamment sur la qualité de la puissance produite souligne l'intérêt de développement d'un algorithme de détection et d'isolation rapide, dédié par la suite à la reconfiguration de la commande. Ainsi, une commande tolérante au défaut (CTD) a été conçue de manière à éviter l'arrêt de la production, compenser l'impact de défaut et garder des performances acceptables de la qualité d'énergie produite. Le travail effectué s'est articulé sur les observateurs à mode glissant (OMG), communément connus comme outil puissant pour la supervision et la commande à la fois. Le deuxième axe porte sur la sécurité structurale et la stabilité du système éolien sous contraintes vibratoires. Les travaux se répartissent en deux parties complémentaires : L'établissement d'un modèle numérique tridimensionnel (3-D) sous un logiciel d’analyse par éléments finis (ANSYS) et la réalisation des essais vibratoires sous différentes excitations au sein d'une plateforme vibratoire (TREVISE). Dans ce cadre, un modèle numérique (3-D) d'une éolienne à axe horizontal couplée à un mât et une fondation adéquats a été développé en utilisant la méthode de volumes finis (FVM) afin d'appréhender son comportement vibratoire. Les essais vibratoires expérimentaux valident le modèle numérique et permettent l’identification de la réponse dynamique de la structure d'une manière fine. De plus, nous avons élaboré un modèle expérimental de la tenue de l’éolienne aux contraintes vibratoires de formes aléatoire, sinusoïdale et impulsionnelle. / The wind energy capacity carries on growing quickly and taking an increasingly significant place in the world. Progressively, research studies dealing with designing and supervising wind turbines have become more important. Two areas of research were developed in this thesis. The first one concerns the continuity of service of a wind turbine connected to the grid while an inter-turn short-circuit fault is present in the stator phase of the induction squirrel cage generator. The analysis of the fault as well as its impact on the wind turbine system and mainly on the quality of the produced power highlights the interest of development of a fast detection and isolation algorithm, dedicated to the reconfiguration of the control law. Hence, a fault tolerant control scheme has been established in order to avoid stopping production, compensate the fault impact and maintain acceptable performances of the quality of the produced energy. The carried out work was based on sliding mode observers, commonly known as robust tools for monitoring and controlling at the same time. The second axis concerns the structural modeling and stability checking of the wind system under vibratory stresses. The work is divided into two complementary parts: The establishment of a three-dimensional (3-D) numerical model using a finite element analysis software (ANSYS) and the realization of vibratory tests under different excitations within the platform (TREVISE). In this framework, a numerical (3-D) model of a horizontal axis wind turbine coupled to a suitable tower and foundation was developed basing on the finite volume method (FVM) in order to analyze its vibratory behavior. The experimental vibratory tests validate the numerical model and allow the identification of the dynamic response of the structure in a precise way. In addition, we have developed an experimental model of the behavior of the wind turbine under vibratory stresses of random, sinusoidal and impulse shapes.

Les principaux défis pour le déploiement de systèmes de conversion de l'énergie éolienne est de maximiser la puissance électrique produite, malgré les variations des conditions météorologiques, tout en minimisant les coûts de fabrication et de maintenance du système. L'efficacité de la turbine éolienne est fortement dépendante des perturbations de l'environnement et des paramètres variables du système, tels que la vitesse du vent et l'angle de tangage. Les incertitudes sur le système sont difficiles à modéliser avec précision alors qu'ils affectent sa stabilité.Afin d'assurer un état de fonctionnement optimal, malgré les perturbations, le commande adaptative peut jouer un rôle déterminant. D'autre part, la synthèse de commandes tolérantes aux défauts, capables de maintenir les éoliennes connectées au réseau après la survenance de certains défauts est indispensable pour le bon fonctionnement du réseau. Le travail de cette thèse porte sur la mise en place de lois de commande adaptatives et tolérantes aux défauts appliqués aux systèmes de conversion de l'énergie éolienne. Après un état de l'art, les contributions de la thèse sont :Dans la première partie de la thèse, un modèle incertain non linéaire du système de conversion d'énergie éolienne avec un générateur à induction à double alimentation est proposé. Une nouvelles approches de commande adaptative par mode glissant est synthétisée et ensuite appliquée pour optimiser l'énergie issue de l'éolienne.Dans la deuxième partie, une nouvelle commande par modes glissants tolérante aux défauts et basée sur les modes glissants intégrales est présentée. Puis, cette méthode est appliquée afin de forcer la vitesse de la turbine éolienne à sa valeur optimale en prenant en compte des défauts qui surviennent sur l'actionneur. / The main challenges for the deployment of wind energy conversion systems (WECS) are to maximize the amount of good quality electrical power extracted from wind energy over a significantly wide range of weather conditions and minimize both manufacturing and maintenance costs. Wind turbine's efficiency is highly dependent on environmental disturbances and varying parameters for operating conditions, such as wind speed, pitch angle, tip-speed ratio, sensitive resistor and inductance. Uncertainties on the system are hard to model exactly while it affects the stability of the system. In order to ensure an optimal operating condition, with unknown perturbations, adaptive control can play an important role. On the other hand, a Fault Tolerant Control (FTC) with control allocation that is able to maintain the WECS connected after the occurrence of certain faults can avoid major economic losses. The thesis work concerns the establishment of an adaptive control and fault diagnosis and tolerant control of WECS. After a literature review, the contributions of the thesis are:In the first part of the thesis, a nonlinear uncertain model of the wind energy conversion system with a doubly fed induction generator (DFIG) is proposed. A novel Lyapunov-based adaptive Sliding Mode (HOSM) controller is designed to optimize the generated power.In the second part, a new output integral sliding mode methodology for fault tolerant control with control allocation of linear time varying systems is presented. Then, this methodology has been applied in order to force the wind turbine speed to its optimal value the presence of faults in the actuator.