Cette thèse s'intéresse au problème de la conception de l'architecture d'instrumentation des systèmes de contrôle-commande (C-C). La conception de telles architectures est une activité complexe qui nécessite une vision globale du système. Plus spécifiquement, elle consiste à déterminer l'ensemble des instruments utilisés (nombre et type des capteurs, des actionneurs), leur agencement vis-à-vis du système de C-C. Pour être menée à bien, cette sélection nécessite d'avoir probablement identifié les différentes possibilités quant à la conduite du processus. Ces choix sont contraints par plusieurs critères, d'une part, le coût du système et des différents composants qui se doit d'être minimal, d'autre part, la sûreté de fonctionnement qui s'évalue en termes de la fiabilité d'accomplissement de la mission et enfin par les critères de performances du système à concevoir. Ce domaine de recherche vise à unifier les différentes approches utilisées en automatique, en une méthodologie globale de conception d'architectures de C-C. Ce sujet de thèse s'intéresse à la conception de l'instrumentation d'un système de C-C. Il propose une méthode qui vise à optimiser cette instrumentation sous multicritère: le coût et le critère de sûreté de fonctionnement en fonction de la fiabilité ou le critère de qualité de commande ou le niveau de tolérance aux pannes; cette procédure de conception s'appuie sur un modèle structurel. Cette étude portera sur des systèmes C-C pour l'accomplissement de diverses missions, sans s'intéresser à la représentation interne du système (les équations d'état) mais en utilisant l'analyse structurelle du système, elle se place dès la phase de conception dans le cycle de vie du système. L'intégration de l'aspect de la sûreté de fonctionnement dans la procédure de la méthodologie de conception d'un système C-C peut apparaître ici sous la forme de l'évaluation de fiabilité d'accomplissement de la mission en se basant sur les liens (les liens structurels entre les variables physiques à commander et les instruments) des systèmes étudiés et éventuellement le conditionnement de leur conception sur la base de niveaux de performance et spécification des objectives exigés. / This thesis concerns the design of control system instrumentation architecture. The design of such architectures is a complex activity that requires a global vision of the system. More specifically, it consists to determine the set of instruments (number and type of sensors, actuators), their arrangement according the control system instrumentation. The choice of architecture constrains by main multi criteria's, on the one hand, the cost of the system and the various components that must be minimal, on the other hand, the dependability, which is evaluated in terms of the reliability of fulfillment of the mission of the design system. This field of research aims to unify the different approaches used in automatic in a global design methodology of control system instrumentation. This work proposes a method that aims to optimize the instrumentation using multiple criteria: cost criterion and dependability constraints in terms of reliability, quality of control, quality of performance, fault tolerant level. This design methodology is based on structural modeling. This study will focus on control systems to accomplish various missions without take into account the internal representation of the system (state equations). However, the tool of structural analysis is used for modeling of the system in design phase. The integration of the dependability aspect in the design methodology procedure of control system instrumentation may appear here in the form of the assessment of reliability mission based on structural links between the physical variables and instruments of the system, according to the performance levels and specifications of the required objective design.

Généralisation de la théorie du contrôle classique développée pour les E.D.O. au cas des E.D.P. Reformulation des critères de la théorie du contrôle suivant 2 approches : théorie formelle des E.D.P. et algèbre différentiel. Un accent tout particulier est accordé au critère de contrôlabilité dont la généralisation aux E.D.P. constitue l'apport essentiel de cette étude. L'approche algébrique est utilisée pour conduire à un raisonnement qui permet la généralisation et la clarification de ces critères. Cependant c'est la théorie des E.D.P. qui permet d'élaborer des tests pour vérifier ces critères sur machine grâce a des logiciels de calcul formel. Nouvelle théorie du contrôle appliquée à de nombreux exemples de la physique (tourbillons de Bénard, dynamique des câbles, équations d'Euler, équations de Maxwell...) et des calculs explicites de degré de transcendance différentielle très complexes.

L'objectif de cette thèse est le dimensionnement, l'optimisation et la commande de l'interfaçage électrique pour groupes électrogènes à base de pile à combustible (PAC) pour des applications transport et stationnaire. Cette thèse a d'abord sélectionné la structure la mieux adaptée pour des PAC de 100 kW en se focalisant sur les applications les plus prometteuses. Cette structure a été optimisée par un procédé combinant les algorithmes génétiques et une méthode déterministe. Les différents niveaux de contrôle de l'interface de puissance ont été ensuite conçus et analysés. Concernant le niveau intermédiaire, divers correcteurs ont été proposés pour chaque convertisseur. Ils sont testés et validés en simulation. Les correcteurs concernant l'onduleur de tension sont validés expérimentalement. Finalement, la thèse propose trois stratégies globales de gestion des flux énergétiques. Elles sont validées et comparées en simulation grâce à des données réelles issues d'applications choisies.

Le travail présenté dans cet ouvrage concerne le développement d'une méthodologie d'optimisation des lois de contrôle/commande des stations d'épuration des eaux usées urbaines. Ce travail est basé sur l'utilisation des modèles des procédés de traitement afin de réaliser la simulation de leur fonctionnement. Ces simulations sont utilisées par un algorithme d'optimisation multi-objectifs, NSGA-II. Cet algorithme d'optimisation permet la recherche des solutions optimales en fonction des différents objectifs considérés (qualité de l'effluent, consommation énergétique, etc.). Il permet également la visualisation claire des compromis entre diverses lois de contrôle ainsi que la détermination de leurs domaines d'application respectifs. Dans une première partie de cet ouvrage, la méthodologie est développée autour de quatre axes principaux : la conception d'une méthode de simulation fiable et robuste, le choix des jeux de données d'entrée à utiliser en simulation, le choix des objectifs et contraintes à considérer et enfin l'évaluation des performances et de la robustesse à long terme des lois de contrôles. L'application de cette méthodologie sur le cas d'école du BSM1 est réalisée dans cette première partie. Dans une seconde partie, la méthodologie développée est appliquée sur le cas réel de l'usine de dépollution de Cambrai. Cette application a nécessité le développement de nouveaux aspects que sont la génération de données d'entrée dynamiques à partir des données d'auto-surveillance de la station d'épuration et la simulation des lois de contrôles basées sur une mesure du potentiel redox. Cette application a permis de visualiser les compromis entre la loi de contrôle actuellement utilisée sur site et une nouvelle loi envisagée. Il a ainsi été possible d'évaluer le gain de performances à attendre de ce changement.

Les travaux développés dans cette thèse visent à assister le processus d'ingénierie des exigences temporelles pour les systèmes complexes à contraintes de temps. Nos contributions portent sur trois volets : la spécification des exigences, la modélisation du comportement et la vérification. Pour le volet spécification, une nouvelle classification des exigences temporelles les plus communément utilisées a été proposée. Ensuite, afin de cadrer l'utilisateur durant l'expression des exigences, une grammaire de spécification à base de motifs prédéfinis en langage naturel est développée. Les exigences générées sont syntaxiquement précises et correctes quand elles sont prises individuellement, néanmoins cela ne garantie pas la cohérence de l'ensemble des exigences exprimées. Ainsi, nous avons développé des mécanismes capables de détecter certains types d'incohérences entre les exigences temporelles. Pour le volet modélisation du comportement, nous avons proposé un algorithme de transformation des state-machine avec des annotations temporelles en des automates temporisés. L'idée étant de manipuler une notation assez intuitive et de générer automatiquement des modèles formels qui se prêtent à la vérification. Finalement, pour le volet vérification, nous avons adopté une technique de vérification à base d'observateurs et qui repose sur le model-checking. Concrètement, nous avons élaboré une base de patterns d'observation (ou observateurs) ; chacun des patterns développés est relatif à un type d'exigence temporelle dans la nouvelle classification. Ainsi, la vérification est réduite à une analyse d'accessibilité des états correspondants à la violation de l'exigence associée

Les performances temporelles d'une architecture de contrôle-commande conditionnent fortement celles du système automatisé de production commandé. Pour maîtriser ces performances temporelles, l'architecte automaticien doit pouvoir les évaluer à chaque phase du cycle de développement : de l'étude d'avant-projet à la conception détaillée ainsi que lors de la mise au point. Il n'a cependant pas les mêmes attentes concernant les performances estimées. Des résultats approximatifs, obtenus rapidement à partir de données encore imprécises, lui suffisent en début de cycle de développement, alors que des prévisions fiables, même si elles sont plus difficiles à obtenir, lui sont nécessaires en conception détaillée. L'approche que nous présentons prend en compte ces différents besoins et contraintes. Elle consiste en une méthode d'évaluation des performances temporelles d'architectures de commande complexes distribuées en réseaux, destinée à accompagner l'architecte tout au long du cycle de développement. Cette méthode est basée sur une modélisation modulaire du comportement temporel de la commande par réseaux de Petri Colorés Temporisés. Pour ce faire, trois temps sont nécessaires dans la modélisation. La modélisation de l'architecture fonctionnelle consiste à représenter les fonctions de commande, et leurs interactions. La modélisation de l'architecture matérielle permet de traduire la topologie et les connexions entre équipements de commandes (automates programmables, réseaux de communication, ...). L'affectation des fonctions de commande aux équipements ainsi que la prise en compte des communications entre ces fonctions via des réseaux de communication constitue le modèle de l'architecture opérationnelle. Une fois le modèle de comportement de l'ensemble de l'architecture opérationnelle constitué, l'évaluation des performances temporelles est réalisée par simulation du réseau de Petri obtenu. Pour valider notre approche, nous traitons un exemple significatif à l'aide de la plate forme logicielle Design CPN. Cette étude de cas nous permet de présenter une série d'études portant sur la convergence de nos modèles, sur la sensibilité des résultats de simulation aux erreurs de paramétrages et sur la précision des performances obtenues par simulation en les confrontant à celles mesurées sur le système réel.

Cette thèse s'inscrit dans les études menées sur la commande des dispositifs de l'électronique<br />de puissance dédiés à la qualité de l'énergie. Différentes structures de contrôle numériques<br />avancées (les correcteurs à base d'intégrateurs, le correcteur prédictif Dead-Beat et le<br />Contrôle Direct de Puissance avec modulation vectorielle) ont été analysées et comparées, sur<br />les plans tant théoriques que pratiques, et ce sur des applications multi-fréquentielles, plus<br />concrètement sur l'application au filtrage actif parallèle, une des applications les plus<br />exigeantes de l'électronique de puissance.<br />Une première étude a été réalisée en basse tension et ensuite, vu l'évolution de l'électronique<br />de puissance vers des applications plus puissantes, une étude en montant en tension a été<br />menée afin d'identifier les limitations qui apparaissent. Même si les limitations les plus<br />importantes se trouvent dans la partie de puissance des convertisseurs (le courant, la tension et<br />surtout la fréquence de commutation des semiconducteurs), on montre que des commandes<br />plus performantes peuvent repousser les limites naturelles aux convertisseurs.

Ce mémoire présente des travaux concernant la spécification, la modélisation et l'analyse de systèmes de contrôle-commande temps réel répartis sur un réseau de terrain. La problématique de modélisation de tels systèmes, qui doivent satisfaire des contraintes temporelles, réside dans la maîtrise de la taille et de la complexité des modèles. Pour cela, une méthodologie de modélisation est proposée ; elle repose sur les concepts de structuration, de modélisation et de validation modulaires au moyen du modèle formel Réseaux de Petri Temporisés Stochastiques. La structuration consiste en une décomposition hiérarchisée en blocs fonctionnels élémentaires. Une structure est proposée pour des entités de communication d'un réseau local temps réel, ainsi que pour un système temps réel de commande et surveillance réparties. La modélisation repose sur la construction et la composition de modèles de modules élémentaires. Les principes énoncés concernent la définition de règles de composition. Des modèles d'assertions logiques sont également proposés pour faciliter le passage des descriptions de comportements exprimées en langage naturel, à une modélisation en Réseaux de Petri Temporisés Stochastiques. La validation repose sur des étapes de composition partielle qui utilisent la modularité pour effectuer des vérifications ascendantes du comportement. Cette méthodologie est appliquée au réseau de terrain FIP, ainsi qu'au futur système de contrôle-commande de poste de transformation d'énergie électrique d'EDF. L'étude du réseau FIP porte plus particulièrement sur les services et mécanismes périodiques de couche application pour les échanges temps réel. Les analyses (qualitatives et quantitatives) effectuées sur l'application de EDF répartie sur le réseau FIP portent sur la vérification des propriétés fonctionnelles et des contraintes temporelles du système.

Ce travail a trait à la gestion des flux énergétiques électriques au sein du réseau embarqué d'un véhicule électrique. Les éléments constitutifs de la chaîne électrique ont été d'abord modélisés à des fins de commande et de simulation. Il est visé ici la minimisation du stress des batteries au plomb via une hybridation avec des supercondensateurs. Deux familles de lois de commande ont été conçues et développées, à savoir des lois de type " fréquentielles " et des lois optimales de type " Linéaires Quadratiques Gaussiennes ". Un banc de test temps réel hybride a été architecturé afin de tester ces lois. Ce banc de test a pour noyau deux simulateurs temps réel (RT-LAB et dSPACE). Une partie de la chaîne de puissance est soit émulée par des sources contrôlées ou réalisée via des maquettes à échelle réduite mais à facteur de similitude respecté. Les essais sur le banc de test ont permis d'obtenir des résultats satisfaisants et encourageants qui corroborent la théorie.

Aujourd’hui, la conception ne porte plus sur de simples objets, mais sur des systèmes complexes, sociotechniques et ouverts. Les systèmes de conduite de procédés font partie de ce type de systèmes, où les performances du système reposent sur l’optimisation conjointe des composantes humaines et techniques. Afin de limiter la détection d’erreur tardive, il devient alors important de pouvoir effectuer des tests tout au long de la conception, sans augmenter les coûts et les délais de conception. L’objectif de nos travaux est de faciliter l’intégration de techniques de vérification par simulation, dès le début de la conception, pour des systèmes de conduite de procédés de type gestion de fluide. Pour tenir compte du caractère adaptable du système et de son évolution dans un environnement dynamique, une première contribution porte sur la démarche de vérification, basée sur la formalisation et la contextualisation des propriétés à vérifier. Puis, afin de faciliter l’obtention des modèles de simulation du procédé nécessaires à la mise en œuvre des vérifications tout au long de la conception, nous proposons une approche de génération automatisée des modèles de simulation du procédé dans le langage Modelica (modélisation multi-domaine), à partir d’un schéma P&ID (représentation de l’architecture fonctionnelle du procédé) et d’une bibliothèque d’éléments (contenant les modèles de simulation des éléments). L’implémentation de cette approche dans le cadre du flot de conception automatisée de contrôle- commande d’Anaxagore permet d’apporter une preuve de concept et une preuve d’usage de nos propositions. / Nowadays, engineers have to design open, complex and sociotechnical systems. The process control systems belong to this class of systems, in which the system performance relies on the joint optimisation of technical components and human components. To avoid the late discovery of design errors, it is necessary to perform tests throughout the design without adding design costs and delays. The aim of this work is therefore to facilitate the integration of checking by simulation, from early design stage, for process control systems such as fluid management systems. Regarding the adaptable feature of the system and its evolution in a dynamic environment, a first contribution focusses on the verification approach, by modelling the requirements within the context. Then, to facilitate the obtaining of the process simulation models required for checking throughout the design, we propose an automatic generation approach of simulation models in Modelica language (multi-domain modelling), from a P&ID model (modelling of the functional architecture of the process) and a library of elements (containing the simulation models of elements). To provide a proof of concept and a proof of use of our proposals, this approach has been implemented into Anaxagore, an automated design flow for monitoring and control.