Ce travail concerne la détection de défauts sur les systèmes sujets à des changements de mode de fonctionnement. Le système réel est modélisé par un système à commutation markovienne qui est représenté par un ensemble de modèles de fonctionnement (fonctionnements normaux et anormaux) et par une matrice de probabilité de transition de Markov qui contient les probabilités de passage d'un modèle de fonctionnement à un autre. Cette représentation offre un cadre idéal à l'application des méthodes d'estimation multi-modèle. L'intérêt d'utiliser ce type d'estimateurs réside dans le fait qu'en plus de l'estimation de l'état du système, les estimateurs multi-modèles procurent la probabilité d'occurrence ou d'activation de chaque modèle de fonctionnement. Ces probabilités peuvent alors être utilisées pour la détection de défaut. Dans ce travail, nous avons utilisé les spécificités de l'estimation multi-modèle afin de procéder à la détection et l'isolation des défauts qui peuvent affecter un système linéaire. Plusieurs améliorations et aménagements ont été apportés à ce type d’estimateurs dans le but d'augmenter les performances du diagnostic / In this thesis, a fault detection method is developed for switching dynamic systems. These systems are represented by several linear models, each of them being associated to a particular operating mode. The proposed method is based on mode probabilities with the aim of finding the system operating mode and estimating the state. The method also uses a priori knowledge information about the mode transition probabilities represented by a Markov chain. This kind of model offers an ideal framework to the application of the multiple model estimation methods. The interest to use this type of estimators lies in the fact that in addition to the state estimation, the multiple model estimators get the probability activation of each model. These probabilities can be used for fault detection purpose. However, several improvements were made to this type of estimators in order to increasing the performances of the diagnosis

Les travaux de cette thèse portent sur l’analyse de stabilité et la synthèse de commandes robustes pour les systèmes affines à commutation en temps continu en présence d’incertitudes paramétriques constantes. On propose deux méthodes de commande permettant de garantir la stabilité asymptotique globale des systèmes affines à commutation avec paramètres inconnus. La première approche est basée sur l’estimation des paramètres inconnus et la reconstruction de l’état d’équilibre associée pour permettre d’appliquer une commande robuste adaptative. La seconde méthode est basée sur une augmentation d’état par l’ajout d’une action intégrale dans la boucle de commande qui garantit une erreur statique nulle. Pour chaque approche, deux lois de commande sont proposées. Une méthode du type « min switching » qui sélectionne la commutation la plus apte à stabiliser le système et une méthode de type « Embedded » permettant de générer une commande polytopique des différents modes possibles. Les résultats sont appliqués aux convertisseurs de puissance de topologie Flyback avec preuve de stabilité dans les deux modes de conduction (continue et discontinue) / This PhD thesis is focused on stability analysis and robust control synthesis for continuous time switching affine systems in presence of constant parametric uncertainties. Two control methods are proposed to guarantee global asymptotic stability of switching affine systems with unknown parameters. The first approach is based on the estimation of the unknown parameters and the reconstruction of the related equilibrium state to allow the application of a robust adaptive control. The second method is based on a state augmentation by adding an integral action in the control loop that guarantees a null steady state error. For each approach, two control laws are proposed. A "min switching" method that selects the most suitable mode to stabilize the system and an "Embedded" method that generates a polytopic control of the different possible modes. The results are applied to Flyback topology power converters with proof of stability in both conduction modes (continuous and discontinuous)

Les travaux présentés dans cette thèse se focalisent sur des machines électriques fonctionnant sur le principe de la commutation du flux. Nous étudions des topologies excitées par des aimants permanents, des bobinages DC ou encore hybride (structure à double excitation). Dans une première partie, nous répondrons de manière directe à une problématique industrielle visant à réaliser une application « Alternateur DC » à faible coût. Une modélisation numérique de topologies à double excitation innovantes est tout d’abord proposée. Le modèle est ensuite couplé à un algorithme génétique afin de tendre vers un dimensionnement optimal de ces structures. La seconde partie de ce manuscrit est dédiée à la modélisation analytique de structures excitées par des aimants. Des modèles analytiques du champ d’entrefer suivant différentes approches sont proposés - soit par la théorie des fonctions de perméance, soit par la résolution formelle des équations de Maxwell. Par la suite, un modèle analytique du champ dans les parties ferromagnétiques est proposé. Il permet de déterminer le champ avec précision en tenant compte du caractère bidirectionnel des loci d’induction dans les culasses de ces structures. Ce modèle permet à posteriori d’évaluer les pertes fer dans ces structures. Nous proposons finalement une étude des performances optimales de ces structures en couplant le modèle avec un algorithme stochastique d’optimisation. L’influence du nombre de dents rotoriques ou encore des pertes fer sur les performances électromagnétiques sont mises en évidence. Finalement, la troisième et dernière partie de ce manuscrit détaille une approche originale d’exploration topologique. Après avoir présenté une extension du modèle analytique formel aux structures aimantées, nous exposons l’approche d’exploration topologique pour des structures à excitation statique avec des aimants permanents. / The work presented in this thesis focus on electrical machines based on flux-switching principle. We were studying topologies with permanent magnets, DC field coils or hybrid-excited (combining both PMs and DC coils) structures. In the first part of this manuscript, we are meeting industrial needs being set by our partner Leroy Somer. The aim is to design in an optimal way a low cost “DC Generator”. Numerical simulations of unconventional hybrid-excited structures are firstly proposed. Then, to carry out a global optimization of those topologies, the numerical model is coupled with a genetic algorithm. The second part of this work is dedicated to an analytical model to predict the airgap field in conventional and unconventional switched-flux machines with DC coils. Two approaches are proposed, either using the Magnetomotive force- Permeance theory or directly solving the field governing equations in the doubly-slotted airgap of those structures. After, an analytical model to determine the magnetic field in ferromagnetic parts is proposed. This model can account for bidirectional field in stator and rotor yokes. This model can be used a popsteriori to assess iron losses in the core. Finally, influences of the number of rotor teeth, or iron losses, on optimal electromagnetic performances are investigated using a stochastic algorithm. In the third and last part of this thesis, we detailed an original approach named topological exploration. We first derivate an analytical model capable to predict the airgap field in PM excited structure. Then, the topological exploration approach was applied to static PM excited machines.

Cette thèse est dédiée à l'étude du problème de la stabilisation des systèmes affines à commutations. L'objectif est de concevoir des lois de commutation dépendantes de l'état qui stabilisent le système en boucle fermée. Premièrement, un aperçu de quelque résultat existant dans la littérature est présenté. Ensuite, un résultat général permettant la synthèse de lois de commutations pour la stabilisation des systèmes nonlinéaires affines en l'entré est proposé. La particularisation de ce résultat aux cas des systèmes affines à commutations et des systèmes linéaires à temps invariant avec une commande à relais a permis de synthétiser des lois de commutations garantissant leur stabilité asymptotique locale ou globale en boucle fermée. Grace à l'utilisation des fonctions de Lyapunov commutées une méthode numérique basée sur des LMIs permettant la conception de surfaces de commutations nonlinéaires est proposée. Une méthode permettant la synthèse de lois de commutations robustes vis-à-vis des perturbations sur les mesures est également développée pour assurer la stabilisation des systèmes affines à commutations. Le résultat est ensuite particularisé au cas des systèmes linéaires temps invariant avec commande à relais robuste. Enfin, le problème de la synthèse de lois de commutations basée-observateur est considéré. Des surfaces de commutations linéaires et nonlinéaires sont proposées en utilisant des fonctions de Lyapunov quadratiques et non-quadratiques. Des conditions de stabilisation asymptotique locale et globale sont développées. Les lois de commutations conçues dépendent de l'état reconstruit en utilisant un observateur de type Luenberger. De plus, le principe de séparation est démontré pour les systèmes affines à commutations ainsi que pour les systèmes linéaires temps invariant avec une commande à relais. / This thesis is dedicated to the study of the stabilization problem of switched affine systems with state-dependent switching laws. First, an overview of some existing results is proposed. In order to define the closed-loop system's solutions and to analyze its behavior over the switching surfaces the Filippov formalism is used. The stabilization problem is addressed using a Lyapunov approach which allows to derive numerical approaches based on LMIs. Throughout this thesis both switched affine systems and LTI systems with relay controllers are considered. Using a general framework for the class of nonlinear input-affine systems, a full state-dependent switching controller is designed in order to ensure both local and global asymptotic stability of the closed-loop system. Thanks to switching (Lur'e type) Lyapunov functions, a numerical approach based on LMIs that allows to derive a nonlinear stabilizing switching law is proposed. Moreover, a design approach of robust state-dependent switching laws for switched affine systems stabilization are proposed. The robustness property is studied with respect to bounded exogenous disturbances that affect the state measurements which are used for the design of the switching laws. Finally, observer-based switching controllers are designed to guarantee both local and global asymptotic stability of the closed-loop system. Using both quadratic and non-quadratic Lyapunov functions, linear and nonlinear switching surfaces are designed. The derived switching surfaces depend on the estimated state which is computed by a Luenberger observer. For both switched affine systems and LTI systems with relay controller the separation principle is proved.

Reproduire les fonctionnalités du cerveau représente un défi majeur dans le domaine des technologies de l’information et de la communication. Plus particulièrement, l’ingénierie neuromorphique, qui vise à implémenter au niveau matériel les propriétés de traitement de l’information du cerveau, apparait une direction de recherche prometteuse. Parmi les différentes stratégies poursuivies dans ce domaine, la proposition de composant memristif a permis d’envisager la réalisation des fonctionnalités des synapses et de répondre potentiellement aux problématiques d’intégration. Dans cette dissertation, nous présenterons comment les fonctionnalités synaptiques avancées peuvent être réalisées à partir de composants mémoires memristifs. Nous présentons une revue de l’état de l’art dans le domaine de l’ingénierie neuromorphique. En nous intéressant à la physique des composants mémoires filamentaires de type cellules électrochimiques, nous démontrons comment les processus de mémoire à court terme et de mémoire à long terme présents dans les synapses biologiques peuvent être réalisés en contrôlant la croissance de filaments de type dendritiques. Ensuite nous implémentons dans ces composants une fonctionnalité synaptique basée sur la corrélation temporelle entre les signaux provenant des neurones d’entrée et de sortie. Ces deux approches sont ensuite analysées à partir d’un modèle inspiré de la biologie permettant de mettre l’accent sur l’analogie entre synapses biologiques et composants mémoires filamentaires. Finalement, à partir de cette approche de modélisation, nous évaluons les potentialités de ces composants mémoires pour la réalisation de fonctions neuromorphiques concrètes. / Replicating the computational functionalities of the brain remains one of the biggest challenges for the future of information and communication technologies. In this context, neuromorphic engineering appears a very promising direction. In this context memristive devices have been recently proposed for the implementation of synaptic functions, offering the required features and integration potentiality in a single component. In this dissertation, we present how advanced synaptic features can be implemented in memristive nanodevices. By exploiting the physical properties of filamentary switching, we successfully implemented a non-Hebbian plasticity form corresponding to the synaptic adaptation. We demonstrate that complex filament shape, such as dendritic paths of variable density and width, can reproduce short- and long- term processes observed in biological synapses and can be conveniently controlled by achieving a flexible way to program the device memory state and the relative state volatility. Then, we show that filamentary switching can be additionally controlled to reproduce a Hebbian plasticity form that corresponds to an increase of the synaptic weight when time correlation between pre- and post-neuron firing is experienced at the synaptic connection. We interpreted our results in the framework of a phenomenological model developed for biological synapses. Finally, we exploit this model to investigate how spike-based systems can be realized for memory and computing applications. These results pave the way for future engineering of neuromorphic computing systems, where complex behaviors of memristive physics can be exploited.

Afin de réduire les vibrations d'une structure, on utilise des éléments piézoélectriques connectés à des circuits électriques passifs. L'objectif est de se rapprocher de l'efficacité du contrôle actif sans en supporter la complexité et la consommation. On considère d'abord l'association d'une résistance (qui a un effet similaire à un amortissement visqueux) et éventuellement d'une inductance (permettant de réaliser un oscillateur accordé) aux éléments piézoélectriques. Ces systèmes ont des propriétés intéressantes, mais sont peu efficaces à moins d'un accord très précis de l'inductance. Afin d'obtenir des performances élevées sans accord précis, on étudie un circuit à commutation, qui se ferme et s'ouvre à des instants bien précis. L'effet de la charge, qui freine la structure, s'apparente à un frottement sec. En synchronisant les commutations sur les vibrations, le système est auto-adaptatif et peut être auto-alimenté. Les fortes non-linéarités entraînent une excitation haute fréquence de la structure qui peut rendre la synchronisation problématique. Deux modèles électromécaniques (analytique et éléments finis) réduits sont proposés, permettant de décrire la dynamique du système complet de manière précise et de mettre en valeur le couplage entre un mode de vibration et le circuit électrique. Ce couplage est déterminant pour la réduction de vibrations. Une étude de l'influence de divers paramètres permet d'optimiser les éléments piézoélectriques, les circuits, et les instants de commutation. Ces résultats sont vérifiés expérimentalement. On constate un bon accord avec la théorie ; la difficulté de synchroniser correctement la commutation est aussi constatée. / In order to reduce the vibrations of a mechanical structure, one can use piezoelectric elements connected to passive electrical circuits. The goal is to achieve the same efficiency as active vibration control without the associated complexity and energy consumption. First the use of a resistor (with an effect similar to viscous damping) and eventually of an inductor (allowing the creation of a tuned resonator) for the circuit is considered. These systems have interesting properties, but are not very efficient, except in the case of a finely tuned inductor. In order to obtain good performance without requiring a precise tuning, a switching circuit is considered. The switching process is synchronized on the vibrations, and the effect of the free electric charge (similar to a dry damping) reduces the vibrations. This system is self-adaptive and can be self-powered. However, the strong non-linearities create a high frequency excitation which may disturb the switch timing. Two different reduced electromechanical models (analytical and finite element) are proposed, allowing a description of the whole system dynamics with accuracy and to emphasize the coupling between one vibration mode and the circuit. This coupling is found to be decisive for the performance in vibration reduction. A study of the influence of various parameters allow the optimisation of the piezoelectric elements, electric circuits and switch timing. These results are experimentally tested and a good agreement with the predictions is obtained ; the difficulty of switch timing is also noticed.

Dans cette thèse, on s'est attaché à résoudre un certain nombre de problèmes qui apparaissent lorsqu'on traite des problèmes concrets de contrôle: phénomènes à plusieurs échelles de temps, discontinuités de la commande lors du basculement d'un correcteur à un autre, nécessité de concevoir un nombre limité de correcteurs différents malgré une gamme très importante des produits traités. Pour illustrer concrètement les résultats obtenus, nous nous sommes appuyés sur un exemple industriel concret, le contrôle de guidage de bande durant le processus de laminage dans un laminoir à chaud. D'abord, nous proposons une solution convexe au problème de commande optimale linéaire quadratique pour les systèmes linéaires à deux échelles de temps en temps discret. Ensuite, nous établissons des conditions suffisantes, formulées sous la forme d'inégalités matricielles linéaires, qui permettent de vérifier la stabilité d'un système à commutation à deux échelles de temps et de synthétiser des correcteurs stabilisants. Nous proposons aussi dans ce travail une méthode pour minimiser les discontinuités sur la commande dans le cadre des systèmes à commutation. Dans le contexte du contrôle de guidage de bande pour un laminoir à chaud, nous ne pouvons pas négliger l'influence des paramètres incertains, qui sont dus principalement au fait que ce genre de système traite une gamme de produits très large. Donc, dans la synthèse du correcteur, nous prenons en compte ces variations en divisant l'ensemble des produits en plusieurs familles et en synthétisant un correcteur différent pour chaque famille.

Ce travail présente d'une part la fabrication d'entités nanométriques (nanocouches, nanoparticules) photochromes et d'autre part les méthodes de détection ou d'amplification de leur commutation. Des nanoparticules de diaryléthène ont été obtenues par fragmentation laser. Leur caractère photochrome en solution colloïdale a été mis en évidence par des mesures d'ensemble en spectroscopie d'absorption, mais également au niveau de la particule unique par la spectroscopie de diffusion en champ sombre. Ces nanoparticules ont montré des propriétés différentes de celles en solution et de celles à l'état solide illustrées par des rendements quantiques différents. Pour comparer les rendements quantiques des différents états, une méthode numérique a été mise au point pour l'étude à l'état solide. L'obtention de systèmes hybrides par dépôt de couches minces de photochromes sur des substrats recouverts de nanoparticules d'or a permis de mettre en évidence une nouvelle approche pour détecter la photocommutation aux petites échelles. Cette commutation du photochrome provoque un déplacement intense et réversible en longueur d'onde de la bande des plasmons de surface localisée (PLS) des nanoparticules d'or. Cette observation est corrélée à des calculs basés sur le formalisme de Mie. De plus, l'exaltation du champ électromagnétique par excitation des PLS a permis d'accélérer la réaction photochrome dans le sens de la décoloration, renforçant l'intérêt de ces matériaux hybrides pour le stockage de données.

De nombreux travaux ont été dédiés ces dernières années aux matériaux à transition de spin qui présentent des potentialités pour le stockage de l'information en raison de leurs propriétés physiques commutables : métastabilité thermique et optique. Ce travail est relatif au mécanisme photo-induit dans les systèmes à transition de spin et, plus précisément, à l'étude des effets de dilution sur la température LIESST. L'objectif principal est de mieux cerner les paramètres qui gouvernent T(LIESST). Diverses études expérimentales ont été réalisées sur des composés mononucléaires 0D, polymériques 1D et polynucléaires. L'analyse de l'ensemble des propriétés photomagnétiques a permis de montrer que T(LIESST) est indépendant de la dilution et suggère que cette grandeur est gérée par la molécule et dépend très peu des interactions intermoléculaires.

On décrit la structure matérielle des organes de commande. On présente le langage et on décrit son implémentation.