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Les principaux travaux développés dans cette thèse traitent de la commande, du diagnostic et de la tolérance aux fautes utilisant le concept de la commande sans modèle récemment proposé dans la littérature. Les méthodes développées sont testées en temps réel et validées sur un quadrotor. Dans un premier temps, le modèle du quadrotor est présenté et analysé dans l'objectif de concevoir et implanter une loi de commande robuste aux perturbations et aux incertitudes de modèle. Pour cela, le concept de commande sans modèle est utilisé. Ce concept est basé sur la détermination d'une loi de commande calculée à partir de modèles ultra-locaux ajoutée à la commande calculée par des régulateurs classiques. Une technique utilisant le régulateur linéaire quadratique ainsi que la technique non linéaire de backstepping avec intégrateur augmentées de ce concept de commande sans modèle ont été proposées. Ces deux approches ont été testées et validées en les appliquant en temps-réel au drone considéré. Une étude comparative des lois de commandes avec et sans l'utilisation du concept de commande sans modèle a été proposée mettant en évidence les avantages de l'utilisation de ce concept. Le diagnostic de défauts est une étape importante pour la commande tolérante aux fautes. Les techniques de diagnostic développées dans cette thèse sont basées sur la génération de résidus issus de la comparaison entre les mesures réelles et les estimations de ces mesures obtenues par des estimateurs. La génération de résidus dépend de la qualité du modèle utilisé ainsi que des perturbations qui peuvent conduire à des fausses alarmes ou des non détections. Une nouvelle technique "d’estimation intelligente" inspirée du concept de commande sans modèle a été proposée et implantée afin de rendre la génération de résidus insensible aux incertitudes de modèle et aux perturbations et ainsi améliorer la décision quant à la présence de défauts. Deux "estimateurs intelligents" ont été proposés en rajoutant à l'observateur d'état classique et l'observateur de Thau un concept inspiré de la technique de commande sans modèle. L'estimation des sorties du système obtenue par l'estimateur intelligent est utilisée afin d'estimer l'amplitude des défauts d'actionneurs et de capteurs. L'estimation des défauts d'actionneurs est basée sur des modèles ultra-locaux. Quant aux défauts de capteurs, un algorithme structure a été proposé pour estimer leur amplitude en utilisant les résidus générés à partir de cet estimateur. Les résultats de détection et estimation de défauts ainsi obtenus sont ensuite utilisés pour compenser l'effet des défauts sur les performances du drone. La commande tolérante aux fautes mise en œuvre permet de modifier la loi de commande par rapport à l'estimation de l'amplitude du défaut d'actionneur, alors que lorsqu'un défaut de capteur est détecté et estimé, la trajectoire de référence est régénérée afin de compenser l'effet du défaut et maintenir le drone sur la trajectoire initialement définie. Les algorithmes proposés ont été implantés et testés sur un quadrotor Qball-X4. Les résultats de vol en temps-réel ont été analysés et ont permis de valider les techniques de commande et de tolérance aux fautes de capteurs et d'actionneurs. Des vidéos illustrant différentes expérimentations sont disponibles en ligne / The main objectives of this thesis consist of developing Control, Fault Detection and Diagnosis (FDD) and Fault-Tolerant Control (FTC) techniques based on a the Model-Free (MF) concept recently introduced in the literature. The proposed approaches are implemented, tested and validated on a quadrotor platform. The first step of this work consisted of the modelling of the quadrotor, and then analyzing, designing and implementing new robust control strategies based on the Model-Free Control (MFC) technique recently developed in the literature. The MFC algorithm helps compensating for disturbances and model uncertainties. The advantage of this recent concept is in the simplicity of the design of the controller by adding a control law using ultra-local models to the classical control techniques. To test and validate this new approach, the Linear-Quadratic-Regulator (LQR) and the Nonlinear-Integral-Backstepping (NIB) controllers have been considered by integrating the MFC concept to design a (LQR-MFC) and a (NIB-MFC), respectively. Both algorithms are validated through analytical and experimental procedures and the robustness checked and compared with respect to the initial controllers in the presence of disturbances and model uncertainties.The FDD is a very important step towards the development of FTC techniques. The FDD approach developed in this thesis is based on the residual generation between the measured outputs and the estimated outputs obtained using observers/estimators. Residuals are expected to be close to zero in the fault free case and deviate from zero in the presence of a fault or failure. However, as the residuals are generated using models, they highly depend on the quality of the model used and on the presence of disturbances which may lead to false alarms or to non-detections. A novel “intelligent estimator” inspired from the MF concept has been developed and used in order to improve the residual generation and the fault diagnostic. Two intelligent estimators have been designed by integrating the MF scheme with the state and Thau observers for Multi-Input-Multi-Output (MIMO) systems, where the intelligent Output-Estimator (iOE) represents the integration between the MF technique with the state observer, and the intelligent Thau Output-Estimator (iTOE) represents the augmentation of the MF technique with the Thau Observer. The estimation of the system outputs obtained using the iOE are then used to estimate the actuator and sensor faults. The estimation of the actuator faults is improved by using the ultra-local models. A structured algorithm is then developed and implemented in order to estimate sensor fault magnitudes using the residuals generated by the intelligent estimator. The results obtained from the fault detection and estimation are then used to compensate for the fault effect on the flight control performance. The implemented fault-tolerant control technique compensates for the actuator faults by adjusting the control law based on the fault estimation. In case a sensor fault is detected and estimated, the desired path is regenerated according to the estimated fault magnitude in order to compensate for the fault effect.The proposed algorithms are implemented and tested on the Qball-X4 quadrotor. The results of the real-time flight tests validate the proposed techniques and compensate for sensor and actuator faults. Footages of the flight tests are available online.

This diploma thesis deals with a conception of force-torque control of industrial robot applied on a finishing technology of grinding. This work includes a classification of various force-torque sensors currently available on the market. The practical part of this thesis deals with a setting-up of communication and connection among the force-torque sensor SCHUNK FTC 050-80, PLC Beckhoff CX and industrial robot KUKA KR3. Practical part is further focused on a simple model of grinding, especially the grinding force control in relation to the robot movement.

A field experiment was carried out in Ontario, Canada to compare independently measured soil N2O profile concentration and surface N2O flux measurements overwinter and at spring thaw, to estimate the soil N2O content accumulation overwinter, and to estimate the magnitude of the contribution of the physical release of trapped N2O to surface fluxes at spring thaw. Gas samples at various depths were taken and N2O concentrations determined, soil profile gaseous N2O content was calculated by estimating the air-filled pore-space from soil condition measurements, and soil aqueous N2O content was calculated using liquid water content measurements and applying Henry’s Law. Soil N2O content was found to reach a maximum of ~25 mg N2O m-2, and by comparing changes in soil N2O content to surface fluxes measured using the micrometeorological flux-gradient technique, the physical release of previously produced N2O was estimated to contribute up to 47% of spring thaw N2O surface fluxes.

Control of mechatronic systems remain an open problem in control theory despite the research work worldwide in the last decade. Uncertainties in mechatronic systems, which includes faults, and disturbance, will often cause undesired behaviours, affecting the systems performances, may lead to the system failure, or even causing safety issues. Control reconfiguration is an active approach in control systems field. However, controller reconfiguration involves changes in its parameters and structure. System stability might not be able to be guaranteed during the parameters tuning, which might cause more damage to system stability, sometimes may cause safety issues. Due the on-line reconfiguration has a scope, during which the system stability can not be guaranteed. This leads that the systems must be turned off during reconfiguration process. In many industrial areas, such as metallurgy, forging, and manufacturing, shutting down the streamline leads to significant levels of lost productivity and unacceptable economic losses. As alternative to control reconfiguration approach, in this thesis two methods are proposed to deal with faults and disturbances. The first method is the fault matrix observer and the second one is the set-point re-planning. The idea of both methods is to compensate the faults and disturbances which affect the system performances without changing the controller structure or controller parameters.

We propose a framework to examine convergence in the jurisdictional patterns of the American FTC and the European Commission. Based on a sample of 595 merger cases scrutinized by either of these agencies in the 1995 - 2007 period, we estimate logit models of the probability of intervening in a merger for both jurisdictions and use them to predict the decisions of the respectively other agency. The results point to an increasing harmonization of merger regimes and corroborate the theoretical appraisal, that the 2004 reform of EU merger law constituted a step towards the US system. (author's abstract)

Les diverses normes internationales obligent les constructeurs automobiles à optimiser les chaînes de propulsion conventionnelles mais surtout à développer d’autres alternatives de motorisation dont l’une des plus prometteuses est le véhicule électrique. Néanmoins ces nouvelles propulsions doivent garantir les mêmes performances et le même niveau de sureté de fonctionnement (fiabilité et sécurité en l’occurrence). La chaîne de propulsion électrique est conçue autour d’un nombre important de constituants (machine électrique, capteur(s), convertisseur(s) de l’électronique de puissance, etc.) qui peuvent être le siège de défauts. La détection et la localisation de ces défauts sont indispensables mais pas suffisantes pour assurer la sureté de fonctionnement du système. En effet pour assurer un fonctionnement en mode dégradé, il faut mettre en œuvre une architecture de commande tolérante aux fautes. L'objectif principal de cette thèse est de proposer des nouvelles architectures de commande tolérante aux défauts (Fault Tolerant Control en anglais) d’un véhicule électrique propulsé par une machine asynchrone, en présence de plusieurs types de défaut du capteur mécanique. Cette thèse est organisée en 4 chapitres.Le Chapitre 1 est un état de l’art exhaustif avec une analyse critique des architectures et des systèmes de contrôle commande tolérants aux fautes des chaînes de traction électrique ainsi qu'un état de l'art des différents défauts qui peuvent apparaitre dans la chaine de traction électrique. Le Chapitre 2 propose deux architectures de commande tolérante aux fautes : l’Hybride FTC et le GIMC (Generalised Internal Model Control) ; l’approche Hybride FTC est une combinaison de deux contrôleurs, le premier est un régulateur PI pour le mode sain et le second un correcteur robuste H infini pour le mode défaillant. L’architecture GIMC permet la restructuration de la loi de commande d'une manière adaptative. Elle est conçue afin d’assurer une bonne robustesse du système en présence de défaut grâce à une boucle interne faisant office de boucle de correction et de diagnostic.Le Chapitre 3 est consacré exclusivement à la commande tolérante aux fautes à base d'algorithme de vote, en faisant une étude comparative de 4 algorithmes avec trois topologies différentes : une première structure est proposée sur la sortie du système, une deuxième structure est appliquée sur la commande du système, et la troisième structure est une hybridation des deux précédentes.Le Chapitre 4 est dédié à la validation expérimentale des architectures décrites précédemment. Les résultats obtenus montrent l’efficacité des approches FTC proposées. / The various international standards require automakers to optimize conventional power train but mainly to develop other alternatives to drive, one of the most promising is the electric vehicle. However, these new drives should guarantee the same performance and the same level of dependability (reliability and security in this case).Electric power train is built around a large number of components (electrical machine, the sensor, the converter, power electronics, etc.) which may be affected by defects. The detection and localization of these defects are essential but not sufficient to ensure the dependability of the system. Indeed, to ensure operation in degraded mode, you must implement architecture of fault tolerant control (FTC). The main objective of this thesis is to propose new fault tolerant control architectures of an electric vehicle induction machine power train in the presence of several types of mechanical sensor failure. This thesis is organized into four chapters.Chapter 1 is a comprehensive state of the art with a critical analysis of architectures and control systems tolerant to faults of electric powertrains and a state of the art of the various defects that may occur in the chain of electric traction.Chapter 2 proposes two architectures of fault tolerant control: Hybrid FTC and GIMC (Generalised Internal Model Control); Hybrid FTC approach is a combination of two controllers, the first is a PI controller for the sound mode and the second a robust controller for the failed H infinity mode. The architecture allows GIMC restructuring the control law in an adaptive manner. It is designed to ensure robustness of the system in the presence of a fault with an inner loop acting loop correction and diagnosis.Chapter 3 is devoted exclusively to the algorithm voting fault tolerant control based on comparative study of four algorithms with three different topologies: a first structure is proposed on the system output, a second structure is applied system control, and the third structure is a two preceding hybridization.Chapter 4 is devoted to the experimental validation of the architecture described above. The results show the effectiveness of the approaches proposed FTC.

De nos jours, les éoliennes contribuent à une large partie de production d'énergie dans le monde. En 2013, 2,7% de la production d'électricité mondiale était éolienne, avec un objectif d'atteindre 14% de la demande d'électricité totale en 2020. Pour satisfaire ces exigences, la taille standard de la turbine éolienne tend à grandir. Les éoliennes de tailles des mégawatts sont très coûteuses, et leur rendement devrait être optimisé pour maximiser l'énergie produite et protéger les équipements de toute dégradation pour optimiser leur durée de vie.Dans ce projet de thèse, la commande prédictive à base de modèle (MPC) est utilisée pour la commande et la commande tolérante aux défauts de l'éolienne. Afin d'optimiser le temps de calcul de la commande MPC, qui peut rendre son implémentation en ligne irréalisable, les entrées de la commande ont été paramétrées par les fonctions de Laguerre (LMPC) ou les fonctions de Kautz (KMPC). Ceci a permis de réduire le temps de calcul d'un tiers. La commande MPC robuste par approche min-max a également été considérée dans l'objectif de rendre la stratégie de commande robuste aux incertitudes paramétriques, et à l'apparition de défauts. Ces différentes stratégies ont état évaluées sur un modèle de l'éolienne à deux masses, avec une commande multi entrée/multi avec contraintes sur les entrées et les sorties.Dans le chapitre V, la commande MPC paramétrée par les fonctions de Laguerre ou de Kautz a été reformulée dans l'unique objectif de compenser le défaut. En effet, sur une éolienne en fonctionnement stable et possédant des lois de commande qui ne s'accommode pas aux défauts, il est possible de calculer la correction nécessaire à considérer par les lois existantes afin de compenser le défaut, si le défaut est bien détecté et estimé. Cette stratégie est recherchée si l'industriel ne souhaite pas changer les lois de commande établies sur l'éolienne, car les stratégies de commande MPC discutées peuvent faire l'ensemble de travail : poursuite de la trajectoire désirée et l'accommodation aux défauts / Nowadays, wind turbines contribute to a large part of energy production in the world. In 2013, 2.7% of global electricity production was based on wind power, with a goal of reaching 14% of total electricity demand in 2020. The progression was remarkable in the last years, namely in France where the wind power generation increased from 2.5 TWh (terawatt-hour) in 2013 to 21.1 TWh in 2015.In order to satisfy these objectives, the standard size of the wind turbine tends to grow. However, the megawatt size wind turbines are very expensive and thus their efficiency has to be optimized in order to maximize the produced energy. Furthermore, it is aimed to protect the equipment from damage and maximize the service life of wind turbines, which is usually 20 years.In this thesis, model predictive control (MPC) is used to control the wind turbine and to identify the faults that could occur. Since the computation time in the MPC strategy is high, its use in real time fast systems may become unfeasable. To overcome this difficulty, the MPC control inputs are parametrized by Laguerre functions (LMPC) or Kautz functions (KMPC). This allowed decreasing the computation time by 33% compared to non-parametrized MPC. The min-max MPC approach is also considered in order to render the control strategy robust to parametric uncertainties and faults scenarios.These control strategies are evaluated on a wind turbine model with a multi-input (pitch angle and generator torque) / multi- output (generator power and generator speed) control, with constraints on inputs and outputs. These results are discussed in Chapter IV.In Chapter V, the Laguerre or Kautz parameterized MPC is reformulated with the objective of faults compensations. Indeed, if the faults are detected and estimated then it is possible to calculate the correction required to compensate these faults. This strategy becomes interesting from a wind turbine is operated with a controller that is not aimed to be changed for security or cost reasons, and the objective of the operator is only to compensate actuator or sensor faults. In these simulations, an available benchmark was used with the controller implemented in it.The thesis also contains a bibliographic and three introductory chapters discussing the state of the art of the turbine model, its control, fault detection and the MPC strategies used in this work

Le travail de thèse, qui s'inscrit dans le cadre du projet européen PAPYRUS (Plug and Play monitoring and control architecture for optimization of large scale production processes) du 7ème PCRD, a concerné tout d'abord la synthèse et la mise en œuvre d'une approche de modélisation, de diagnostic et de reconfiguration originale. Celle-ci se fonde sur la génération de graphes causaux permettant de modéliser en temps réel le comportement d'un système complexe dans un premier temps. La cible de cette première étude a été la papeterie Stora Enso d'Imatra en Finlande, qui était le procédé d'application du projet PAPYRUS. En suite logique à cette première partie, une approche permettant l'accommodation du système à certains défauts particuliers a été définie par l'ajustement des signaux de consigne de diverses boucles de régulation. Le manuscrit est structuré en trois parties. Dans la première, le projet européen PAPYRUS est présenté. Le rôle de chaque partenaire y est décrit au travers des différents « workpackages » et le travail de thèse y est positionné. La seconde partie de la thèse a pour objectif la génération d'un modèle utile au diagnostic en se fondant uniquement sur les différents signaux mesurés du système. Plus précisément, un modèle causal graphique est présenté par la mise en évidence des liens de causalité entre les différentes variables mesurées. Des analyses à base d'inter-corrélation, de transfert d'entropie et du test de causalité de Granger sont effectuées. Une approche de diagnostic fondée sur le modèle graphique ainsi obtenu est ensuite proposée en utilisant un test d'hypothèse séquentiel. La dernière partie est dédiée au problème d'accommodation aux défauts. Le graphe utilisé pour établir le diagnostic du système est remanié afin de faire apparaitre les différentes boucles de régulation du système. Une stratégie permettant la sélection de consignes influentes est alors proposée avec l'objectif d'ajuster ces dernières afin de compenser l'effet du défaut survenu / The thesis deals with modelling, diagnosis and fault tolerance of large scale processes. It is a part of the European project PAPYRUS (7th FWP). First, the European PAPYRUS project is described with details on the role of each partner through work package descriptions. The positioning of the thesis in this respect is also given. The second part of the thesis is about modelling graphical models for diagnosis purpose; more precisely, graphical causal model is used to highlight the causal links between the different variables of the process. To obtain such a model from data, several methods are proposed based on cross-correlation, entropy transfer and Granger causality. A diagnosis-based approach on the resulting graphical model is then proposed using statistical test and causal model of the process. This approach is illustrated using data from an industrial process and results are validated. The final section addresses fault tolerance based on digraph inferences and reference governor. This approach is illustrated using a MATLAB simulation which has a functional architecture similar to Board Machine 4 of Stora Enso IMATRA in Finland

Une modélisation de la combustion turbulente est proposée avec une chimie détaillée et des PDFs, afin de quantifier les concentrations des espèces chimiques (dont le CO). Le modèle PCM-FTC, Presumed Conditional Moment – Flame Tabulated Chimistry, est basé sur des méthodes de tabulations de flammes laminaires prémélangées et de diffusion pour prédire les phénomènes de prémélange partiel présents dans les foyers aéronautiques. La méthode de tabulation est basée sur une analyse de la structure chimique des flammes laminaires prémlélangées et de diffusion. Les hypothèses formulées dans cette modélisation sont testées et validées. Le modèle est alors implanté dans un logiciel de simulation des écoulements turbulents. Trois configurations sont retenues pour quantifier le pouvoir prédicteur de ce type d'approche : les flammes jets turbulentes de Sandia (D et F) et les flammes suspendues de méthane/air de Stanford. Les comparaisons numériques et expérimentales ont permis de valider la méthode.