Bien que les piles à combustible de type PEM représentent de composantes majeures capables de provoquer l'évolution du domaine énergétique, il reste néanmoins de nombreux problèmes à résoudre avant d'envisager leur développement et leur commercialisation. Le caractère très fortement couplé des phénomènes physico-chimiques se produisant dans le coeur de piles rend ces systèmes très complexes et difficiles à maîtriser. Dans ce contexte, la modélisation mathématique se positionne comme un outil précieux pour la compréhension, la prédiction et l'amélioration du comportement de ces systèmes. Parmi les différentes approches de modélisation existantes, nous nous sommes intéressés à la représentation d'état qui présente des avantages vis-à-vis de l'analyse, de la commande et de la prédiction des processus internes. Ce travail de thèse propose une modélisation dynamique non linéaire qui prend en compte le couplage entre les différents phénomènes physiques internes afin de traduire aussi bien que possible le comportement réel du système. Nous élaborons des modèles sous forme de représentation d'état destinés aux applications stationnaires et de transport. Le circuit équivalent électrique proposé pour la cellule permet de coupler les différents phénomènes étudiés. Les modèles qui sont évalués par des simulations, sont ensuite validés expérimentalement sur une pile PEM de puissance 50 W. Le modèle de transport est exploité pour élaborer une stratégie de commande assurant une régulation de l'humidité en fonction de la demande de puissance. La régulation proposée a permis d'améliorer le rendement électrique du système.

L'augmentation des cadences de production nécessite la recherche de performances dynamiques toujours plus élevées pour les dispositifs de positionnement, conduisant à l'utilisation d'axes multi-actionneurs parallèles. Une configuration bi-actionnée en gantry est une solution mécanique qui permet de conférer une accélération élevée à l'axe, mais pose la problématique de la synchronisation des actionneurs mis en collaboration. Un état de l'art de la commande de tels dispositifs électromécaniques met en évidence un manque général de prise en compte du couplage mécanique entre les deux actionneurs, conduisant à des architectures de commande complexes sur le plan structurel et du réglage. L'approche proposée dans cette étude constitue une alternative à ces commandes en mettant en œuvre une approche graphique structurée selon les lois de la causalité physique. Dans un premier temps, l'axe en gantry sert de support à l'étude de propriétés graphiques du formalisme Graphe Informationnel Causal (GIC) développé au L2EP. L'ordonnancement des représentations selon la causalité intégrale conduit à une simplification globale de l'analyse structurelle des systèmes physiques, facilitant le choix des variables d'état indépendantes à contrôler. La modélisation dynamique proposée pour l'axe considéré, associée à des méthodes d'identification expérimentale, est exploitée pour la déduction d'architectures de commande et de méthodes de réglage permettant d'améliorer les performances de synchronisation dynamique des deux actionneurs par une meilleure gestion du couplage. Les problématiques de la modélisation et de la compensation des ondulations de force générées par les moteurs linéaires synchrones à aimants permanents, ainsi que de la gestion énergétique de l'ensemble de l'axe sont également abordées.

L'intérêt pour la modélisation et la commande des engins volants s'est accru de manière significative au cours de ces dernières années. La complexité et les possibilités des engins volants s'accroissent rapidement et la gamme des missions qu'elles doivent réaliser se développe. Cependant afin que les drones puissent atteindre ce potentiel, certains défis techniques doivent être surmontés, notamment l'étude et l'intégration de la flexibilité structurelle, la prise en compte des phénomènes aérodynamiques, et l'élaboration de stratégies de commandes adaptées. Le travail présenté s'inscrit dans ce cadre et porte spécifiquement sur deux types de drones : -Les plus légers que l'air : Application à la modélisation et commande d'un dirigeable souple. -Les plus lourds que l'air : Application à la modélisation et commande d'un quadrirotor flexible : le XSF. Nous présentons dans un premier temps un modèle global d'engins volants flexibles autonomes. On admet que ces objets volants subissent de grands déplacements et de petites déformations élastiques. Le formalisme utilisé est basé sur l'approche de Newton-Euler, approche souvent utilisée dans le cas d'objets volants rigides. Dans cette étude nous généralisons le formalisme de corps rigides existant en y incluant l'effet de la flexibilité, sans pour autant détruire la méthodologie globale, et ce au moyen d'une technique hybride lagrangienne-eulerienne. La flexibilité apparaît dans le système dynamique global par le moyen d'un nombre réduit de degrés de liberté supplémentaires issus d'une synthèse modale. Cette technique permet de faciliter par la suite l'élaboration d'algorithmes de commande et de stabilisation. Le phénomène des masses ajoutées est également pris en considération. Une méthode originale de traitement analytique de ce phénomène a été établie pour un corps flexible en grands mouvements. Elle est basée sur la notion de potentiel flexible, et sur le développement de l'énergie cinétique du fluide sous l'effet d'un mouvement global du corps flexible. Cette méthode a permis de mettre en évidence le couplage rigide-flexible dans la matrice des masses ajoutées pour un traitement global d'un dirigeable flexible. On présente aussi le modèle dynamique et aérodynamique du quadrirotor flexible XSF conçu au laboratoire IBISC et destiné à un concours interuniversitaire sur les microdrones. Une technique robuste " Backstepping " est réalisée pour la stabilisation du dirigeable flexible au voisinage d'un point cible. Et une stratégie de contrôle de PID a été proposée pour la stabilisation de l'XSF. La stratégie de commande est contrainte par l'impératif d'optimisation du rapport précision/portabilité, pour que les algorithmes développés puissent être intégrés dans l'informatique embarquée de ces engins volants. Une validation numérique est présentée à la fin du rapport.

Actuellement, la plupart des simulateurs électromagnétiques se basent sur une résolution des équations aux dérivées partielles ou leurs formes équivalentes. Ces simulateurs ont jusqu'à présent bénéficié d'une augmentation de la puissance informatique compensant les exigences de calcul nécessitées par la croissance de la complexité et de la dimension des objets à modéliser. Cependant la taille des problèmes cruciaux augmente beaucoup plus rapidement que la puissance informatique. Malgré les apports faits pour simplifier les calculs électromagnétiques, la difficulté à tenir compte de tels problèmes complexes nécessite un saut méthodologique important. La méthode dite " énactive ", proposée dans ces travaux, constitue une approche atypique pour la modélisation dynamique d'un environnement naturel et sa simulation en un système de réalité virtuelle. Issue de la modélisation des systèmes multi-agents, elle propose une méthode spécifique pour la modélisation de tels systèmes complexes où de nombreux phénomènes interagissent de nombreuses façons, à des échelles de temps et d'espace pouvant être très différentes. Nous cherchons à suivre l'évolution d'une onde électromagnétique et ses interactions éventuelles avec des objets d'un environnement in virtuo, i.e. à travers un laboratoire virtuel (virtuoscope). Dans ce contexte, cette thèse s'inscrit dans un cadre interdisciplinaire qui allie les outils et les techniques de la réalité virtuelle à la modélisation de phénomènes électromagnétiques. En outre, les phénomènes sont modélisés en tant qu'entités autonomes en interaction. Notre modèle doit donc reposer sur une définition rigoureuse des entités, à savoir les ondes et les milieux, et des interactions qui peuvent avoir lieu afin de reconstituer l'ensemble des phénomènes électromagnétiques " réels " au sein d'un environnement virtuel. Aussi, nous n'avons pas de moyens nous permettant de vérifier ni de valider autrement que par l'expérimentation notre modèle. En ce sens, nous faisons l'enjeu et le pari de parvenir à construire un tel système énactique électromagnétique. Pour cela, nous avons mis au point un ensemble de scénarios d'environnements électromagnétiques, suite au développement de deux modèles de propagation, l'un unidimensionnel et l'autre bidimensionnel. Les résultats seront comparés à des méthodes plus classiques appropriées voire à la théorie lorsque c'est possible.

Les robots industriels représentent un moyen de production sophistiqués pour l'industrie manufacturière d'aujourd'hui. Ces manipulateurs sont plus agiles, plus flexibles et moins coûteux que les machines-outils spécialisées. L'exploitation de ces avantages fait l'objet d'une demande croissante de l'industrie. La dynamique de ces manipulateurs est soumise à des nombreuses sources d'imprécision. En effet les défauts de la chaîne de transmission, ou encore les éléments de liaisons peuvent être le siège de déformations et de vibrations dégradant sensiblement leur précision. Ces phénomènes physiques sont d'autant plus difficiles à compenser que seul un sous ensemble des états du système est mesuré par les codeurs moteurs. La structure de commande industrielle actuelle d'un robot n'agit donc pas directement sur ces phénomènes. Il est nécessaire alors de progresser sur le front de l'amélioration de la précision par l'adaptation de la commande à ces nouvelles exigences. Un état de l'art met en évidence un manque de travaux qui traitent de l'élaboration d'anticipations adaptées aux axes d'un robot et intégrant les phénomènes de déformation. En outre, la planification de trajectoire n'est classiquement pas remise en cause et peu évoquée. Elle représente pourtant un moyen d'action éprouvé afin d'améliorer les performances dynamiques en suivi de profil. L'approche proposée dans ce mémoire se veut une alternative à ces méthodes. Elle est basée sur une exploitation d'un modèle dynamique représentatif et détaillé. Il intègre les principaux phénomènes physiques mis en évidence tels que les effets de la gravité, les systèmes mécaniques de compensation, les forces de frottement et la flexibilité articulaire. Cette modélisation associée à des méthodes d'identification expérimentale est exploitée afin de déduire une structure de commande. Elle permet la réduction des déformations élastiques et des vibrations par une action sur la précommande et sur la loi de mouvement adaptée. Ainsi, nous introduisons une méthode d'estimation non asymptotique appliquée en robotique, afin d'estimer rapidement les paramètres vibratoires de ce dernier et contribue à une réactualisation des modèles exploités. Des résultats expérimentaux montrent que cette méthodologie mène à une amélioration des performances de positionnement par rapport à la commande industrielle.

Ce travail vise à développer un modèle générique capable de mieux rendre compte et de prédire les transferts de radionucléides dans le système sol/solution du sol/plante. La première partie de ce travail a été consacrée à l’analyse critique des modèles disponibles dans la littérature pour décrire l’adsorption du césium par les minéraux argileux (principal processus contrôlant sa disponibilité dans les sols). Cette analyse a débouché sur la formulation d’un nouveau modèle mécaniste combinant deux approches: la complexation de surface et l’échange d’ions. Cette approche, a été testée afin de modéliser l’adsorption du Cs sur plusieurs substrats argileux naturels. Ce travail a permis de valider le modèle proposé et de démontrer qu’il constitue un avantage majeur par rapport aux différents modèles existants. La deuxième partie a été consacrée, à la réalisation d’une série d’expérimentations, conduite en milieux contrôlés sur des systèmes dynamiques, et la modélisation de la (bio)disponibilité du Cs dans ces systèmes. A la suite de ces essais, les interactions entre solide et solution observées ont pu être correctement reproduites à partir du modèle proposé en prenant en compte la fraction argileuse du sol uniquement. Ces simulations ont également été comparées aux simulations obtenues à partir des modèles empirique (Kd) et cinétique (EK). Enfin, le développement d’un outil numérique permettant de coupler la description des interactions géochimiques au transfert vers la plante (approche cinétique) a permis de reproduire correctement les essais réalisés en Rhizotests couplant sol, solution et plante et de mieux caractériser la fraction du Cs disponible pour les plantes. / The overall objective of this work is to develop a generic model able to better account and predict the transfer of radionuclides in the soil / soil solution / plant. The first part of the work was devoted to the critical analysis of the models available in the literature to describe the cesium adsorption on clay minerals (the process that mainly controls its availability in the soils). This analysis enabled us to propose a new mechanistic model combining two approaches: surface complexation and cation exchange. Our approach has been tested in order to model the adsorption of Cs on several natural clay substrates, in a wide range of Cs concentrations and physicochemical conditions. This work allowed to validate the proposed mechanistic model and to demonstrate that it constitutes a major advantage over the various existing models. The second part was devoted, to the performing of a series of experiments, carried out in controlled environments on dynamic systems and modeling the (bio)availability of Cs in these systems. Following these tests, the observed interactions between solid and solution could be correctly reproduced with the proposed model taking into account only the clay fraction of the soil. These simulations were also compared with simulations obtained using a empiric (Kd) kinetic models (E-K approach). Finally, the development of a numerical tool for coupling the description of geochemical interactions with transfer to the plant (Michaelis-Menten approach) allowed to reproduce adequately the trials carried out in Rhizotests coupling soil, solution and plant, and to better characterize of the Cs fraction available for plants.

Des mesures sur parcelles agroforestières (mélanges d'arbres et de cultures) expérimentales mettent en évidence des productivités exceptionnelles, avec des gains de plus de 30% par rapport à l'assolement de cultures pures. Nous avons mis au point et utilisé un modèle numérique dynamique en 3-D (Hi-sAFe) pour (1) tester si l'intégration spatio-temporelle du partage des ressources (lumière, eau, azote) entre espèces suffit à expliquer cette productivité et (2) évaluer l'impact de différents choix de conception ou de gestion sur cette productivité, à partir d'une compréhension des processus impliqués.Nous avons développé une méthode originale d'analyse des données simulées pour identifier et hiérarchiser les processus déterminant le rendement. Le modèle a été paramétré et calibré sur un système noyer hybride / blé dur situé sur le domaine de Restinclières (Hérault, France). Après une analyse détaillée du fonctionnement de ce système, nous avons exploré par expérimentation virtuelle sa réponse à des choix de conception: (1) traits phénologiques des espèces associées, et (2) densité et disposition des arbres sur la parcelle. Par la richesse de son comportement, Hi-sAFe permet un regard nouveau sur le fonctionnement des systèmes agroforestiers. Il éclaire la complexité du système réel. Nos résultats permettent de proposer une interprétation déterministe du rendement de chaque espèce et de la productivité totale de l'association (Land Equivalent Ratio). L'analyse des expérimentations virtuelles permet de proposer des pistes concrètes pour l'optimisation des systèmes agroforestiers. / Measurements on experimental silvoarable agroforestry plots (mixed tree-crop) showed exceptionally high productivity, with yields more than 30% higher compared to the separate crop and tree systems. We developed a 3-D process-based model (Hi-sAFe) and used it to (1) test if the spatiotemporal integration of resources sharing (light, water, nitrogen) between species could explain this productivity and (2) assess how agroforestry design or management may affect this productivity. We developed a novel method for the analysis of simulated data to identify and sort the processes determining yield by order of importance. The model was parameterized and calibrated on a hybrid walnut / durum wheat located on the Restinclières field (Hérault, France). After a detailed analysis of the functioning of this system, we explored by virtual experiments its response to design choices: (1) phenological traits of associated species, and (2) density and location of trees on the plot. The comprehensiveness of the Hi-sAFe model provides a new insight into the functioning of agroforestry systems. It clarifies the complexity of the real system. Our results put forward a deterministic interpretation of the performance of each species and of the total productivity of the crop-tree association (Land Equivalent Ratio). The analysis of virtual experiments offers practical ways for optimizing agroforestry systems.

La micro-cogénération désigne la production simultanée de deux énergies finales et utilisables à partir d’une seule source d’énergie primaire. Le cas le plus fréquent est la production de la chaleur et de l’électricité. En France, la micro-cogénération concerne les petites puissances (< 36 kWel). Son intérêt réside dans des rendements globaux supérieurs à ceux obtenus dans le cas d’une production séparée équivalente d’électricité et de chaleur. Dans le cas d’une micro-cogénération biomasse, la chaleur est fournie par une chaudière biomasse qui est couplée à un cogénérateur via un échangeur de chaleur gaz – gaz. À cette échelle de puissance, les moteurs à combustion externe ou moteurs à air chaud sont les plus indiqués comme cogénérateur. L’objet de cette thèse est de caractériser et de modéliser une unité de micro-cogénération biomasse qui se compose d’une chaudière domestique à pellets de puissance 30 kWth, d’un moteur à air chaud de type Ericsson et d’un échangeur air–gaz brûlés inséré dans la chambre de combustion de la chaudière. Des modèles dynamiques 0D de la chaudière biomasse et de l’échangeur de chaleur air – gaz brûlés sont développés pour simuler les phases transitoires et représenter l’évolution des variables du système au cours du temps. Les modèles 0D dynamiques ont été validés par des mesures expérimentales. Ils sont capables d'évaluer les performances énergétiques et les pertes de puissance et de quantifier les transferts thermiques entre les fluides de travail (eau et air), les gaz brûlés et les parois en différentes zones au sein du système considéré (chaudière ou échangeur de chaleur air – gaz brûlés). Une post-combustion a été réalisée en injectant de l’air secondaire à différents débits, chauffé à différentes températures dans la partie haute de la chambre de combustion de la chaudière. Des mesures des émissions polluantes au niveau de la cheminée de la chaudière ont été réalisées afin d’examiner l’influence de la post-combustion. Les principaux composants mesurés sont : le dioxyde de carbone, l’oxygène, le monoxyde de carbone et les oxydes d’azote. / Micro-cogeneration refers to the simultaneous production of two final and usable energies from a single primary energy source. The most common case is the production of heat and electricity. In France, micro-cogeneration concerns small powers (< 36 kWel). Its interest lies in higher efficiencies than those obtained in the case of an equivalent separate production of electricity and heat. In the case of biomass micro-CHP system, the heat is supplied by a biomass boiler that is coupled to a cogenerator via a heat exchanger. For this power, external combustion engines or hot air engines are the most suitable. In the case of The purpose of this PhD thesis work is to characterize and model a biomass micro-CHP unit, with a biomass boiler (30 kWth), an Ericsson engine and an air-flue gas heat exchanger inserted inside the combustion chamber of the boiler. Dynamic models 0D of the biomass boiler and the air-flue gas heat exchanger are developed to simulate the transient phases and to represent the evolution of the variables as a time function. Dynamic 0D models have been validated by experimental measurements. They evaluate the energy performances and power losses and quantify heat transfer between working fluids (water and air), flue gases and walls in different zones in the considered system (boiler or air-flue gas heat exchanger). A post-combustion is investigated by injecting secondary air at different flow rates and different temperatures in the upper part of the boiler combustion chamber. Experimental measurements of pollutant emissions in the boiler chimney are performed to examine the post-combustion influence. The main pollutants measured are: carbon dioxide, oxygen, carbon monoxide and nitrogen oxides.

Bien que la France soit reconnue indemne de tuberculose bovine (TB) par l’Union Européenne depuis 2001, une centaine de nouveaux foyers sont déclarés chaque année. Deux des principaux mécanismes de propagation de l’infection entre troupeaux bovins sont l’introduction d’animaux infectés et les contacts au pâturage. L’objectif de cette thèse a été de quantifier les rôles respectifs des échanges commerciaux de bovins et des contacts au pâturage « par-dessus la clôture » dans la circulation de la TB en France entre 2005 et 2014. Pour cela, nous avons combiné des méthodes d’analyse de réseaux sociaux et de modélisation dynamique. Nos analyses ont montré que les contacts par le commerce étaient une origine probable pour 12% [5 - 18] des infections déclarées en France entre 2005 et 2014, contre 73% [68 - 78] pour la transmission locale. Cependant, nous avons pu observer que les contacts par le commerce permettaient à l’infection de coloniser de nouvelles zones. Puis nous nous sommes intéressés au risque structurel du réseau du pâturage. À partir d’une exploitation donnée, il était possible d’atteindre quasiment toutes les autres exploitations du territoire métropolitain. Il semble donc facile pour l’agent de la TB de se propager par les contacts de voisinage au pâturage. Enfin, afin de reconstituer la propagation de la TB en France entre 2005 et 2014, nous avons développé un modèle dynamique stochastique individu-centré, dirigé par les données et avec un pas de temps mensuel. Ce modèle reproduit une dynamique intra- et inter-élevages de l’infection, avec une transmission de l’infection entre élevages par le commerce et au pâturage. Il a permis de confirmer la facilité de propagation de l’infection via les contacts au pâturage. En conclusion, les mécanismes de propagation de la TB sont complémentaires : le commerce permet une diffusion sur de longues distances et le pâturage facilite la propagation locale. Le dispositif de lutte contre la tuberculose bovine doit donc s’appuyer combiner les mesures de contrôle afin de cibler plusieurs mécanismes de propagation. / Although France was declared free of bovine Tuberculosis (bTB) by the European Union in 2001, a hundred of outbreaks are reported every year. Cattle movements and contacts on pastures are considered the main between-herd transmission routes of bTB. The aim of this work was to quantify the respective roles of live cattle trade and “over the fence” contacts on pastures in the spread of bTB in France between 2005 and 2014, using social network analysis and dynamic modelling. Results showed that cattle movements may be the origin of 12% [5 - 18] of the French outbreaks between 2005 and 2014, versus 73% [68 - 78] due to the transmission on pasture. However, cattle movements appeared to allow the introduction of the bacteria into new areas. In a second step, the structural risk resulting from the French pasture network was studied. Almost all of the premises owning pastures were mutually connected by pastures neighbourhood relationships, on the territory. Thus, the spatial configuration of pastures appeared favourable to the spread of bTB in France. Finally, to mimic the spread of the infection in France between 2005 and 2014, a stochastic individual-based model was developed. It was driven by the data with a monthly time step. This model reproduced the within- and between-herd dynamic, with a between-herd transmission due to cattle movements and contacts on pastures. The easy spread of the bacteria through the network of French pastures was confirmed using the model. In conclusion, cattle movements and contacts on pastures are complementary paths for bTB spread: cattle movements allow the long-range spread, whereas contacts on pasture make easier the short-range spread. Hence, control programs must target several routes of transmission to be able to eradicate bTB.

En France, pays officiellement indemne de tuberculose bovine depuis 2001, l’infection persiste dans certaines zones, dont les Pyrénées-Atlantiques-Landes, où les niveaux d’infection observés chez les bovins et les blaireaux font craindre un fonctionnement particulier de ce système multi-hôtes pour Mycobacterium bovis, agent de la tuberculose bovine. L’objectif de cette thèse a été de mieux comprendre les mécanismes de transmission de M. bovis au sein du système bovins-blaireaux dans cette zone. L’analyse statistique du risque d’infection localement concomitante chez les blaireaux et les bovins a montré l’importance de variables environnementales liées à la survie de la bactérie dans le sol, telles que le microrelief et le pourcentage de sable dans le sol de surface, ainsi que celle de variables associées aux mouvements des blaireaux. L’analyse du réseau de contacts entre élevages bovins, incluant des contacts directs liés au commerce ou au voisinage au pâturage et des contacts indirects induits par un voisinage avec des domaines vitaux de blaireaux, a montré l’aspect multifactoriel de la transmission de M. bovis entre élevages. Enfin, la modélisation dynamique de la transmission de M. bovis dans le système bovins-blaireaux a suggéré une interface asymétrique entre blaireaux et bovins dans notre zone d’étude, les terriers étant pour la plupart infectés suite à l’exposition des blaireaux à une pâture dont le sol était contaminé par un bovin infectieux, alors que les modes de contamination des élevages se partageaient entre l’exposition des bovins à un élevage infectieux voisin de pâture, et la contamination de ces pâtures par un blaireau infectieux. La validation du modèle dynamique proposé doit encore être poursuivie. L’ensemble de nos résultats permet cependant de conclure à l’importance de prendre en compte tous les mécanismes de propagation dans la lutte contre la tuberculose bovine dans la zone. Le modèle développé est destiné à devenir un outil permettant de préciser les rôles épidémiologiques des bovins et des blaireaux et de simuler différentes stratégies de contrôle, pouvant inclure la vaccination des blaireaux. / France is officially free from bovine tuberculosis since 2001, but this infection is still persistent in some areas, including Pyrénées-Atlantiques - Landes. There, both cattle and badgers were found infected, suggesting that this multi-host system might have a particular functioning regarding Mycobacterium bovis (the main agent for bovine tuberculosis in France) transmission. The objective of the thesis was to better understand M. bovis transmission mechanisms throughout the badger-cattle system in this area. The statistical analysis of the local risk of the badger and cattle concomitant infection showed the importance of environmental variables such as microrelief and sand proportion of the topsoil as well as variables depicting badger movements. The analysis of the contact network between farms (that included direct contacts due to trade and to neighbouring pastures and indirect contacts due to the vicinity with badger home ranges) showed a multifactorial aspect of the transmission between farms in our study area. Finally, the dynamic modelling of M. bovis transmission throughout the badger-cattle system suggested an asymmetric interface where the infection of badgers due to soil contaminated by infected cattle was predominant, whereas, for the infection of cattle, the soil contaminated by infected badgers had a similar importance as the presence of infectious cattle on the neighbouring pastures. Our dynamic model validation should be continued. Nevertheless, our whole range of results underlined the importance of targeting all transmission mechanisms for infection control. The model we proposed is a tool designated to assess both cattle and badgers’ epidemiological roles as well as to simulate different control strategies, that could include badgers’ vaccination.