Les défauts d’arcs électriques sont souvent la cause du déclenchement d’un incendie dans l’habitat. Les détecter constitue une amélioration de la sécurité électrique domestique. La contribution de cette thèse porte sur la problématique de l’identification et de la détection de défauts d’arcs électriques sur le réseau basse tension domestique (charge simple et combinée). Dans ce travail de thèse, le premier axe de recherche porte sur la mise en œuvre d’un modèle de simulation de réseau. Sur le modèle de réseau l’objectif est d’introduire à volonté et de manière graphique des charges de nature différentes associées à un défaut d’arc électrique série. La modélisation porte sur la source de tension, des charges domestiques, le défaut d’arc et le bloc d’analyse numérique du courant et de la tension pour la commande d’un disjoncteur. Le second axe de recherche porte la mise au point de méthodes de détection robuste d’un défaut d’arc électrique Quatre méthodes originales de détection portant sur la tension et le courant de ligne ont été développées dans le cadre de ce travail de thèse. Elles sont toutes basées sur l’analyse des caractéristiques fréquentielles et temporelles du courant de ligne. Toutes les méthodes produisent une information dont l’amplitude tend à s’accroître en présence d’un arc électrique. Toutefois, le caractère non déterministe et très variable des signaux produits par un arc électrique ainsi que la grande variabilité des charges et des perturbations qu’elles introduisent rendent la détection très difficile. L’ensemble des études s’est donc systématiquement composé d’une comparaison entre la situation avec et sans arcs. Le résultat a abouti à une approche combinée de plusieurs méthodes et d’un modèle simple de décision basé sur un simple seuil. Un prototype implémentant une partie de l’algorithme a montré la faisabilité d’un circuit en temps réel / The electrical arc faults are the cause of electrical home fire. Detecting them is an improvement of domestic electrical safety. The thesis contribution focuses on the problem of the electrical arc fault identification and detection in the domestic low voltage network. In this thesis, the first research objective is the modeling of a domestic electrical network. The aim of the modeling is to recreate graphically the loads and the topology of the real domestic electrical network associated with a series electrical arc fault. The modeling is made on the AC voltage source, domestic loads, arc fault model and a block of current and voltage analysis to control a circuit breaker. The second research objective is the development of a robust method for detecting arcing fault. Four detecting methods were developed as part of this thesis; they are based on the current analysis of frequency and time characteristics. All methods generate information whose amplitude tends to increase in the presence of an electric arc. However, the non-deterministic and random feature of the signals produced by the electrical arc fault as well as the large number and variability of loads and the disturbances which they introduce make the arc detection very difficult. All the studies consistently are composed of a comparison between the normal operation and arc fault signals. The result has resulted in a combined approach of some methodologies and a simple decision model based on a threshold. A prototype which contains a part of the algorithm was shown the feasibility of a circuit in real time

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).

Les travaux présentés dans ce mémoire traitent de la synthèse d'algorithmes de diagnostic de défauts simples et multiples. L'objectif vise à proposer une stratégie de diagnostic à minimum de redondance analytique en exploitant au mieux les informations de redondance matérielle éventuellement disponibles sur le système. Les développements proposés s'inscrivent dans une démarche de coopération et d'agrégation des méthodes de diagnostic et la construction optimale d'un diagnostic global en fonction des diagnostiqueurs locaux. Les travaux réalisés se veulent génériques dans le sens où ils mêlent à la fois les concepts et outils de deux communautés : ceux de la communauté FDI (Fault Detection and Isolation) et ceux de la communauté DX (Diagnosis) dont les bases méthodologiques sont issues des domaines informatiques et intelligence artificielle. Ainsi, le problème de détection (ainsi que le problème de localisation lorsque les contraintes structurelles le permettent) est résolu à l'aide des outils de la communauté FDI tandis que le problème de localisation est résolu à l'aide des concepts de la communauté DX, offrant ainsi une démarche méthodologique agrégée. La démarche méthodologique se décline en deux étapes principales. La première phase consiste en la construction d'une matrice de signatures mutuellement exclusive. Ainsi, le problème du nombre minimal de relations de redondance analytique (RRA), nécessaires pour établir un diagnostic sans ambiguïté, est abordé. Ce problème est formalisé comme un problème d'optimisation sous contraintes qui est efficacement résolu à l'aide d'un algorithme génétique. La deuxième étape concerne la génération des diagnostics. Ainsi, pour une situation observée, identifier les conflits revient à définir les RRAs non satisfaites par l'observation. Les diagnostics sont obtenus à l'aide d'un algorithme basé sur le concept de formules sous forme MNF (Maximal Normal Form). L'intérêt majeur dans cette approche est sa capacité à traiter le diagnostic des défauts simples et multiples ainsi que le diagnostic des plusieurs modes de fautes (i.e., le diagnostic des différents types de défauts) associés à chaque composant du système surveillé. De plus, il existe des preuves d'optimalité tant au niveau local (preuve de robustesse/sensibilité) qu'au niveau global (preuve de diagnostics minimaux). La méthodologie proposée est appliquée à la mission spatiale Mars Sample Return (MSR). Cette mission, entreprise conjointement entre l'administration nationale de l'aéronautique et de l'espace (NASA) et l'agence spatiale européenne (ESA), vise à ramener des échantillons martiens sur Terre pour des analyses. La phase critique de cette mission est la phase rendez-vous entre le conteneur d'échantillons et l'orbiteur. Les travaux de recherche traitent le problème de diagnostic des défauts capteurs présents sur la chaîne de mesure de l'orbiteur pendant la phase de rendez-vous de la mission. Les résultats, obtenus à l'aide du simulateur haute fidélité de Thalès Alenia Space, montrent la faisabilité et l'efficacité de la méthode.

Ce travail de thèse sur le dioxyde d'étain a permis de mettre en évidence les liens qui peuvent exister entre les défauts du matériau (défauts intrinsèques ou de surface) et la conductivité électrique. Pour cela, nous avons tout d'abord étudié l'évolution de la texture et de la morphologie en fonction de la température de calcination. Puis, pour différentes températures de frittage des échantillons de SnO₂, nous avons étudié les variations de conductivité électrique en fonction de la température de mesure, sous différentes atmosphères gazeuses. Cette étude est poursuivie par des mesures de conductivité, dans des conditions isothermes, et sous pressions de gaz rigoureusement controlées (O₂, H₂O,) à l'aide d'un système de mesure développé spécialement. Ceci nous permet, apres l'étude expérimentale des espèces adsorbées en surface et des propriétés catalytiques du SnO₂ envers l'éthanol, le monoxyde de carbone et le méthane, d'aborder les défauts de ce matériau et la modélisation des phénomènes observés. Nous avons proposé deux types de modélisation pour interpréter les variations de conductivité observées (lois de pression). Le premier modèle tient compte des défauts intrinsèques du SnO₂. Le second modèle, développé par un aspect cinétique, intègre les défauts de surface (espèces adsorbées). Ces modèles sont ensuite moyennés par la prise en compte de la texture du dioxyde d'étain.

Cette thèse porte sur une des préoccupations majeures dans la conception des systèmes automatisés : la tolérance aux défauts. L'interaction entre les tâches de surveillance et de reconfiguration de la loi de commande est examinée et un nouveau schéma coopératif est proposé pour la gestion globale des compromis. Cette architecture présente l'avantage de préserver entièrement les performances nominales (situation non défaillante) car la boucle de commande nominale est conservée au sein du schéma coopératif. Une procédure de synthèse basée sur la mise en œuvre et l'évaluation des indicateurs de performance des modules de diagnostic et de commande, est proposée. Les résultats méthodologiques sont appliqués au modèle d'un avion gros porteur : le Boeing 747-100/200. Ce Benchmark a été établi par le groupe européen GARTEUR (AG16, Fault Tolerant Control) afin de comparer les méthodologies actives de la commande tolérante aux fautes avec les lois classiques de pilotage.

Depuis des années, le silicium est le semiconducteur principalement utilisé dansl’industrie électronique et photovoltaïque. Intensivement étudié depuis plusieursdécennies, ses propriétés sont essentiellement connues, mais de nouvelles questionsviennent se poser. En particulier, une meilleure connaissance des nombreux défauts etimpuretés ainsi que leurs propriétés et leur impact sur les performances des dispositifsà base de Si est souhaitable.Ce travail couvre un éventail de problèmes liés aux défauts ponctuels en interactionau moyen de calculs dits de premiers principes (Density Functional Theory).Une première partie est dédiée à l’impact du dopage sur la diffusivité de l’oxygèneinterstitiel. Les coefficients de diffusion obtenus en fonction de la température sonten très bon accord avec les résultats expérimentaux ce qui démontre la validité dela méthodologie appliquée. Nous avons montré que l’augmentation de la diffusivitédans le silicium dopé bore se produit par un mécanisme de transfert de charge depuisle dopant de type p.Une deuxième partie se rapporte aux différents complexes de défauts ponctuels etleur thermodynamique, leur cinétique, et leurs propriétés optiques. La formation de cescomplexes peut être induite expérimentalement par une irradiation par des électrons.Plus généralement, ils apparaissent aussi dans des environnements opérationnelsparticuliers comme le spatial. Ici, nous avons réalisé une étude expérimentale etthéorique combinée pour identifier l’impact du dopage isovalent (C, Ge) et du codopage(C-Ge, C-Sn, C-Pb) sur la production de différents complexes (VOi, CiOi,CiCs), qui sont électriquement et optiquement actifs.Enfin, une attention particulière a été portée à la paire de défaut carbone-carboneet ses propriétés. Récemment, il a été établi que le silicium fortement dopé en carboneprésente des propriétés d’émission laser. Ici nous avons cherché à étudier les formespossibles du complexe et leurs propriétés, afin de comprendre lequel est présentexpérimentalement. / Since many years, silicon is the primary semiconductor material in electronic andphotovoltaic industry. Intensively studied through decades, its properties are essentiallyknown, however new questions keep arising. We need to achieve deep insightinto the numerous possible defects and impurities properties as well as their impacton the performances of the Si based devices. This work covers a range of problemsrelated with point defects interaction of both types long range and short range bymeans of parameter free first principles calculations.The former refers to the impact of heavy doping on diffusivity of interstitialoxygen species. The obtained diffusion coefficients as a function of temperature arein a very good agreement with experimental results that demonstrates the validityof the applied methodology. We showed that the enhanced diffusivity in B-dopedsilicon occurs through a charge transfer mechanism from the p-type dopantThe latter accounts for the various point defect complexes and their thermodynamic,kinetic, and optical properties. Formation of these complexes can beinduced by electron irradiation of Czochralski silicon. This aspect is of extremeimportance for particular operational environment. Here, we performed a combinedexperimental-theoretical investigation to identify the impact of isovalent doping (C,Ge) and co-doping (C-Ge, C-Sn, C-Pb) on the production of different complexes(VOi, CiOi, CiCs, etc.), which are electrically and optically active.Finally, particular attention is addressed to the carbon-carbon defect pair and itsproperties. Recently, it was established that heavily carbon doped silicon elucidateslasing properties. Here we aimed to revisit the possible forms of the complex andtheir properties, in order to associate one of them with light emitting G-centre,observed in experiments.v

Les travaux présentés dans ce mémoire traitent de la synthèse d'algorithmes de diagnostic de défauts simples et multiples. L'objectif vise à proposer une stratégie de diagnostic à minimum de redondance analytique en exploitant au mieux les informations de redondance matérielle éventuellement disponibles sur le système. Les développements proposés s'inscrivent dans une démarche de coopération et d'agrégation des méthodes de diagnostic et la construction optimale d'un diagnostic global en fonction des diagnostiqueurs locaux. Les travaux réalisés se veulent génériques dans le sens où ils mêlent à la fois les concepts et outils de deux communautés : ceux de la communauté FDI (Fault Detection and Isolation) et ceux de la communauté DX (Diagnosis) dont les bases méthodologiques sont issues des domaines informatiques et intelligence artificielle. Ainsi, le problème de détection (ainsi que le problème de localisation lorsque les contraintes structurelles le permettent) est résolu à l'aide des outils de la communauté FDI tandis que le problème de localisation est résolu à l'aide des concepts de la communauté DX, offrant ainsi une démarche méthodologique agrégée. La démarche méthodologique se décline en deux étapes principales. La première phase consiste en la construction d'une matrice de signatures mutuellement exclusive. Ainsi, le problème du nombre minimal de relations de redondance analytique (RRA), nécessaires pour établir un diagnostic sans ambiguïté, est abordé. Ce problème est formalisé comme un problème d'optimisation sous contraintes qui est efficacement résolu à l'aide d'un algorithme génétique. La deuxième étape concerne la génération des diagnostics. Ainsi, pour une situation observée, identifier les conflits revient à définir les RRAs non satisfaites par l'observation. Les diagnostics sont obtenus à l'aide d'un algorithme basé sur le concept de formules sous forme MNF (Maximal Normal Form). L'intérêt majeur dans cette approche est sa capacité à traiter le diagnostic des défauts simples et multiples ainsi que le diagnostic des plusieurs modes de fautes (i.e., le diagnostic des différents types de défauts) associés à chaque composant du système surveillé. De plus, il existe des preuves d'optimalité tant au niveau local (preuve de robustesse/sensibilité) qu'au niveau global (preuve de diagnostics minimaux). La méthodologie proposée est appliquée à la mission spatiale Mars Sample Return (MSR). Cette mission, entreprise conjointement entre l'administration nationale de l'aéronautique et de l'espace (NASA) et l'agence spatiale européenne (ESA), vise à ramener des échantillons martiens sur Terre pour des analyses. La phase critique de cette mission est la phase rendez-vous entre le conteneur d'échantillons et l'orbiteur. Les travaux de recherche traitent le problème de diagnostic des défauts capteurs présents sur la chaîne de mesure de l'orbiteur pendant la phase de rendez-vous de la mission. Les résultats, obtenus à l'aide du simulateur haute fidélité de Thalès Alenia Space, montrent la faisabilité et l'efficacité de la méthode.

Les cristaux liquides ont été tout le long un terrain fertile pour la recherche scientifique, des mathématiques à la science des matériaux, à l'optique. Leur utilisation ne se limite pas seulement à l'optique d'afficheurs mais s'étend à l'optique non linéaire, par exemple, à la commutation et au routage de faisceaux optiques. En raison de leur extrême sensibilité aux champs électriques, et ce sur une plage de fréquences allant du continu aux fréquences optiques, ils sont aussi utilises comme milieu non linéaires aptes à générer des faisceaux optiques auto-confinés, appelés solitons spatiaux optiques, à de très faibles puissances. Ces faisceaux ont la propriété de se propager sans diffraction, du fait que cette dernière est compensée par l'auto-focalisation non linéaire du milieu, avec formation de guides d'onde auto-induites. Dans les cristaux liquides nématiques, ces guides d'ondes peuvent à leur tours confiner et guider d'autres signaux optiques et peuvent être reconfigurés, soit optiquement, soit électriquement, du fait que la trajectoire des solitons peut être contrôlée par d'autres champs, ouvrant ainsi la voie à la manipulation tout-optique. Récemment, les cristaux liquides nématiques ont été également utilisés avec succès dans l'optique dite singulière, dans laquelle le paramètre clef est la singularité topologique portée par la phase de l'onde électromagnétique. Dans cette thèse, je rendrai compte de mon travail sur les solitons optiques spatiaux et les singularités optiques dans les cristaux liquides nématiques.

Les convertisseurs DC-DC suscitent un intérêt considérable en raison de leur puissance élevée et de leurs bonnes performances. Ils sont particulièrement utiles dans les systèmes multisources de production d'énergie électrique. Toutefois, en raison du grand nombre de composants sensibles utilisés dans ces circuits et comprenant des semi-conducteurs de puissance, des bobines et des condensateurs, une probabilité non négligeable de défaillance des composants doit être prise en compte. Cette thèse considère l'un des convertisseurs DC-DC les plus prometteurs - le convertisseur ZVS à pont isolé de type Buck. Une approche en deux étapes est présentée pour détecter et isoler les défauts en circuit ouvert dans les semi-conducteurs de puissance des convertisseurs DC-DC. La première étape concerne la détection et la localisation des défauts dans un convertisseur donne. La seconde étape concerne sur les systèmes munis de plusieurs convertisseurs DC-DC. Les méthodes proposées sont basées sur les réseaux Bayesiens (BBN). Les signaux utilisés dans ces méthodes sont ceux des entrées de mesure du système de commande et aucune mesure supplémentaire n'est requise. Un convertisseur expérimental ZVS à pont isolé de type Buck a été conçu et construit pour valider la détection et la localisation des défauts Sur un seul convertisseur. Ces méthodes peuvent être étendues à d'autres types de convertisseurs DC-DC. / DC-DC converters have received significant interest recently as a result of their high power capabilities and good power quality. They are of particular interest in systems with multiple sources of energy. However due to the large number of sensitive components including power semiconductor devices, coils, and capacitors used in such circuits there is a high likelihood of component failure. This thesis considers one of the most promising DC-DC converters—the ZVS full bridge isolated Buck converter. An approach with two stages is presented to detect and isolate opencircuit faults in the power semiconductor devices in systems with DC-DC converters. The first stage is the fault detection and isolation for a single DC-DC converter, while the second stage works on a system with multiple DC-DC converters. The proposed methods are based on Bayesian Belief Network (BBN). The signals used in the proposed methods are already available as measurement inputs to control system and no additional measurements are required. An experimental ZVS full bridge isolated Buck converter has been designed and built to validate the fault detection and isolation method on a single converter. The methods can be used with other DC-DC converter typologies employing similar analysis and principals.

Depuis des années, le silicium est le semiconducteur principalement utilisé dansl’industrie électronique et photovoltaïque. Intensivement étudié depuis plusieursdécennies, ses propriétés sont essentiellement connues, mais de nouvelles questionsviennent se poser. En particulier, une meilleure connaissance des nombreux défauts etimpuretés ainsi que leurs propriétés et leur impact sur les performances des dispositifsà base de Si est souhaitable.Ce travail couvre un éventail de problèmes liés aux défauts ponctuels en interactionau moyen de calculs dits de premiers principes (Density Functional Theory).Une première partie est dédiée à l’impact du dopage sur la diffusivité de l’oxygèneinterstitiel. Les coefficients de diffusion obtenus en fonction de la température sonten très bon accord avec les résultats expérimentaux ce qui démontre la validité dela méthodologie appliquée. Nous avons montré que l’augmentation de la diffusivitédans le silicium dopé bore se produit par un mécanisme de transfert de charge depuisle dopant de type p.Une deuxième partie se rapporte aux différents complexes de défauts ponctuels etleur thermodynamique, leur cinétique, et leurs propriétés optiques. La formation de cescomplexes peut être induite expérimentalement par une irradiation par des électrons.Plus généralement, ils apparaissent aussi dans des environnements opérationnelsparticuliers comme le spatial. Ici, nous avons réalisé une étude expérimentale etthéorique combinée pour identifier l’impact du dopage isovalent (C, Ge) et du codopage(C-Ge, C-Sn, C-Pb) sur la production de différents complexes (VOi, CiOi,CiCs), qui sont électriquement et optiquement actifs.Enfin, une attention particulière a été portée à la paire de défaut carbone-carboneet ses propriétés. Récemment, il a été établi que le silicium fortement dopé en carboneprésente des propriétés d’émission laser. Ici nous avons cherché à étudier les formespossibles du complexe et leurs propriétés, afin de comprendre lequel est présentexpérimentalement. / Since many years, silicon is the primary semiconductor material in electronic andphotovoltaic industry. Intensively studied through decades, its properties are essentiallyknown, however new questions keep arising. We need to achieve deep insightinto the numerous possible defects and impurities properties as well as their impacton the performances of the Si based devices. This work covers a range of problemsrelated with point defects interaction of both types long range and short range bymeans of parameter free first principles calculations.The former refers to the impact of heavy doping on diffusivity of interstitialoxygen species. The obtained diffusion coefficients as a function of temperature arein a very good agreement with experimental results that demonstrates the validityof the applied methodology. We showed that the enhanced diffusivity in B-dopedsilicon occurs through a charge transfer mechanism from the p-type dopantThe latter accounts for the various point defect complexes and their thermodynamic,kinetic, and optical properties. Formation of these complexes can beinduced by electron irradiation of Czochralski silicon. This aspect is of extremeimportance for particular operational environment. Here, we performed a combinedexperimental-theoretical investigation to identify the impact of isovalent doping (C,Ge) and co-doping (C-Ge, C-Sn, C-Pb) on the production of different complexes(VOi, CiOi, CiCs, etc.), which are electrically and optically active.Finally, particular attention is addressed to the carbon-carbon defect pair and itsproperties. Recently, it was established that heavily carbon doped silicon elucidateslasing properties. Here we aimed to revisit the possible forms of the complex andtheir properties, in order to associate one of them with light emitting G-centre,observed in experiments.v