Le projet de recherche présenté consiste à la mise en place de matériel et de méthodes pour la mesure de l'impédance du système respiratoire en ventilation liquidienne totale (VLT). Ce projet a été réalisé en majeure partie en collaboration avec un étudiant à la maîtrise en physiologie, M. Dominick Bossé.Le matériel développé est un débitmètre instationnaire qui servira à mesurer le débit instantané à la trachée du patient.Le concept proposé consiste en un venturi symétrique comprenant trois prises de pression. La mesure du débit est obtenue en résolvant numériquement l'équation de Bernoulli légèrement modifiée. Un prototype a été validé expérimentalement en appliquant des débits sinusoïdaux de moyenne nulle. Les résultats ont montré que les écoulement quasi stationnaires sont mesurés précisément entre 5 ml/s et 60 ml/s et les oscillations de faible amplitude ([inférieur ou égal]10 ml/s) sont correctement mesurés pour des fréquences sous 3 Hz. De plus, une méthode pour appliquer la technique des oscillations forcées (TOF) en VLT est proposée. Elle consiste principalement à appliquer une excitation volumétrique sinusoïdale au système respiratoire, et à évaluer la fonction de transfert entre le débit délivré et la pression aux voies aériennes. Un modèle pulmonaire développé pour la ventilation gazeuse, le « five-parameter constant-phase model », est utilisé pour décrire les spectres d'impédance respiratoire observés. La méthode employée pour identifier les paramètres de ce modèle a été validée in silico sur des données générées informatiquement, et la méthode dans son ensemble a été validée in vitro sur un modèle mécanique reproduisant la dynamique pulmonaire. Les données in vivo sur 10 agneaux nouveau-nés suggèrent qu'un terme de compliance fractionnel est approprié pour décrire le comportement basse-fréquence des poumons, mais il n'a pas été possible de conclure sur la pertinence d'un terme d'inertance à ordre fractionnel. Finalement, l'étude des aspects plus physiologiques est présentée. En plus d'une description plus détaillée de la procédure expérimentale in vivo, on y observe l'influence de certains symptômes respiratoires (diminution de la compliance, augmentation de la résistance) sur l'impédance mesurée avec la TOF. Les conclusions sont que la résistance et l'inertance des voies aériennes sont grandement augmentées en VLT en comparaison de la ventilation gazeuse. La résistance et la réactance à 0.2 Hz sont sensibles à la bronchoconstriction et dilatation, autant que lors de la réduction de compliance. Ainsi, il est montré que la TOF à basse fréquence est un outil efficace pour suivre la mécanique respiratoire en VLT.

Bien que les dimensions caractéristiques des systèmes électroniques aient été réduites aux micro- ou nano-échelles, leur performance reste très sensible à des facteurs extérieurs. Les variations lors du processus de fabrication des microsystèmes et celles dans leurs conditions de fonctionnement (température, humidité, pression) sont la cause habituelle de ces dispersions. Par conséquent, il est important de co-intégrer des routines de self-test ou d'auto-ajustement pour ces micro-dispositifs. La plupart des méthodes d'estimation des paramètres du système existantes sont fondées sur la mise en œuvre de mesures numériques haute résolution de la sortie du système. Leur mise en œuvre nécessite ainsi un long temps de conception et une grande surface de silicium, ce qui augmente le coût de ces micro-dispositifs. Les méthodes d'estimation de paramètres basées sur les observations binaires ont été présentées comme des méthodes d'identification alternatives, nécessitant seulement un Convertisseur Analogique-Numérique (CAN) 1-bit.Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle méthode d'identification récursive pour le problème d'estimation des paramètres à partir des observations binaires. Un algorithme d'identification en ligne avec de faibles besoins de stockage et une complexité algorithmique réduite est introduit. Nous prouvons la convergence asymptotique de cette méthode sous certaines hypothèses. Ensuite, nous montrons par des simulations de Monte-Carlo que ces hypothèses ne doivent pas nécessairement être respectées dans la pratique pour obtenir une bonne performance de la méthode. De plus, nous présentons la première application expérimentale de cette méthode dédiée au self-test de MEMS intégrés. La méthode de «Built-In Self-Test» en ligne proposée est très intéressante pour le self-test de capteurs, car elle nécessite des ressources faibles de stockage, un seul CAN 1-bit et un seul CNA 1-bit qui peut être facilement mis en œuvre dans une petite surface de silicium avec une consommation réduite d'énergie. / While the characteristic dimensions of electronic systems scale down to micro- or nano-world, their performance is greatly influenced. Micro-fabrication process or variations of the operating situation such as temperature, humidity or pressure are usual cause of dispersion. Therefore, it seems essential to co-integrate self-testing or self-adjustment routines for these microdevices. For this feature, most existing system parameter estimation methods are based on the implementation of high-resolution digital measurements of the system's output. Thus, long design time and large silicon areas are needed, which increases the cost of the micro-fabricated devices. The parameter estimation problems based on binary outputs can be introduced as alternative self-test identification methods, requiring only a 1-bit Analog-to-Digital Converter (ADC) and a 1-bit Digital-to-Analog Converter (DAC).In this thesis, we propose a novel recursive identification method to the problem of system parameter estimation from binary observations. An online identification algorithm with low-storage requirements and small computational complexity is derived. We prove the asymptotic convergence of this method under some assumptions. We show by Monte Carlo simulations that these assumptions do not necessarily have to be met in practice in order to obtain an appropriate performance of the method. Furthermore, we present the first experimental application of this method dedicated to the self-test of integrated micro-electro-mechanical systems (MEMS). The proposed online Built-In Self-Test method is very amenable to integration for the self-testing of systems relying on resistive sensors and actuators, because it requires low memory storage, only a 1-bit ADC and a 1-bit DAC which can be easily implemented in a small silicon area with minimal energy consumption.

Le principal objectif de la thèse est l'optimisation d'un procédé d'oxydation avancée par la mise en œuvre des outils de l'automatique moderne.Le procédé considéré concerne l'ozonation catalytique utilisé pour traiter les eaux résiduaires industrielles. L'optimisation de ce procédé consiste à contrôler l'abattement des polluants tout en minimisant le coût de fonctionnement du procédé. La mesure en ligne de la concentration en polluant est fournie par l'absorbance, grandeur corrélée à la DCO. Le procédé est alors considéré comme un système à une entrée, la puissance du générateur d'ozone, et deux sorties, l'ozone dans les évents et l'absorbance.L'identification du procédé a mené à l'estimation d'un modèle linéaire pour construire les lois de commande et d'un modèle non-linéaire, de type modèle de Wiener, pour tester les correcteurs en simulation avant les essais expérimentaux.Les trois commandes testées, la commande par modèle interne, la commande optimale et la commande H∞, permettent de rejeter des perturbations sur la concentration en polluant dans les effluents à traiter. Des analyses de stabilité du système bouclé, vis-à-vis de retards sur la commande, ont été menées.Les résultats expérimentaux obtenus ont permis de conclure sur les gains significatifs apportés par ces développements.La méthodologie développée pour cette application peut être étendue à d'autres procédés afin de faciliter le développement industriel des procédés d'oxydation avancée. / The main goal of the PhD thesis focuses on the optimization of an advanced oxidation process by implementing the modern control tools.The considered process is a lab-scale pilot of industrial wastewater treatment by catalytic ozonation. The optimization of this process is achieved by controlling the pollutant abatement while minimizing the high operating costs. The online measurement of the pollutant concentration is provided by the absorbance which is correlated with COD. Therefore, the process is considered as a system with one input, the ozone generator power, and two outputs, the ozone gas concentration at the top of the reactor and the absorbance.A linear model of the process was identified. It allowed calculating the control laws. And a nonlinear model, with a so-called Wiener model structure, was also identified to test the controllers in simulation before the experiments.The three control methods applied, the internal model control, the optimal control and the H∞ control, allow rejecting disturbance on the pollutant concentration of the effluent to be treated.The stability of closed-loop system with delayed control input was analyzed.The experimental results show the significant benefits provided by this closed-loop system.The methodology developed for this application can be extended to other processes to facilitate the industrial development of advanced oxidation processes.

Cette thèse est consacrée à la conception d'un contrôle en boucle fermée d'un écoulement de cavité subsonique. L'objectif est de réaliser un contrôleur qui dépend seulement de grandeurs observables expérimentalement et qui gère des situations où les écoulements sont excités par des perturbations aléatoires extérieures. Pour faire face à ces deux aspects essentiels, deux stratégies ont été définies: l'identification d'un modèle non-linéaire reproduisant la dynamique de l'écoulement à partir seulement d'informations mesurables et la conception d'un compensateur linéaire robuste, basée sur la théorie du contrôle H∞, qui incorpore des propriété de robustesse dans la définition de la fonction objectif. La première partie de la thèse est consacrée à l'identification d'un modèle non-linéaire grâce à des données obtenues à partir d'une expérience menée dans la soufflerie subsonique (M = 0.1) S19 sur le site Chalais-Meudon de l'ONERA. Afin de décrire la dynamique de cet écoulement, et en particulier son contenu fréquentiel, l'écoulement sans contrôle a été caractérisé par des mesures par fil chaud et de pression instationnaire et par des clichés de vélocimétrie par images des particules (PIV) résolue en temps. Un filtrage temporel a été appliqué avec succès aux clichés PIV afin d'extraire la dynamique basse fréquence de l'écoulement. Cette étape est indispensable pour pouvoir gérer des écoulements turbulents caractérisés par un spectre fréquentiel très étendu. Les modes POD obtenus ont été utilisés comme base de projection pour le champ de vitesse et les trajectoires associées ont été interpolées (apprentissage statistique) sur une structure de modèle non-linéaire autorégressif exogène (NLARX). Il s'avère que les modèles obtenus ne sont pas robustes, dans le sens où ils ne parviennent pas à reproduire la dynamique d'un ensemble de données de validation, une fois adaptés à un ensemble de données d'apprentissage. Il a été démontré que cet échec est dû aux fortes non-linéarités observées dans l'écoulement de cavité, qui rendent impraticables les méthodes d'identification. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la conception d'un contrôleur robuste à partir de simulations numériques d'un écoulement de cavité carrée, incompressible et en régime transitionnel, pour différents nombres de Reynolds. Diverses méthodes de synthèse de contrôleur ont été testées et évaluées en utilisant plusieurs mesures de robustesse. On a constaté que la technique traditionnelle de contrôle linéaire quadratique gaussien (LQG) présente une faible robustesse aux perturbations extérieures, tandis que d'autres, comme la technique LTR (Loop Transfer Recovery) et les contrôleurs basés sur les perturbations "les pires" (worst-case), améliorent la robustesse, mais pas suffisamment pour faire face à la forte non-linéarité de l'écoulement. Dans ce but, on met en place un contrôleur qui optimise les propriétés de robustesse par rapport à des incertitudes de type "entrée-multiplicative" et de type "entrée vers sortie". Celui-ci présente des marges de robustesse fortement augmentées par rapport à l'introduction de perturbations de la partie stable de la dynamique entré-sortie, même si le prix à payer en terme de performance est significatif. Une stratégie pour prendre en compte également des perturbations de la partie instable de la dynamique entrée-sortie, comme celles obtenues par un changement du nombre de Reynolds, a été présentée.