Dans ce mémoire de thèse nous présentons une méthodologie pour le diagnostic et la surveillance en ligne des éoliennes de l'état de l'ensemble machine électrique onduleur à partir de la mesure du champ magnétique continu. Ce travail est scindé en deux parties complémentaires. Dans la première partie, nous donnons quelques contributions concernant l'estimation de l'état et des paramètres pour certaines classes de systèmes non linéaires. Ces mêmes estimateurs ont été validés en simulation et sur un banc d'essai. La deuxième partie porte sur la mise en œuvre et la conception de deux bancs d'essai utilisés pour l'étude des défauts dans un système double alimentation MADA et un ensemble moteur électrique onduleur classique pour l'analyse des défauts du convertisseur. L'identification des paramètres et la technique de contrôle du système en boucle fermé est introduite pour l'application MADA. De plus, les capteurs virtuels sont conçus pour estimer la vitesse mécanique qui est utilisée pour calculer les fréquences caractéristiques défectueuses, et le signal de couple mécanique qui exerce une influence sur l'amplitude de certaines des signatures défectueux typiquement. Finalement, sur la base de la mise en équation théorique des signaux électriques avec défauts puis des simulations correspondantes, une comparaison avec l'expérimentation est réalisée pour valider la technique proposée. Ces travaux montrent l'avantage d'une telle technique dans la simplicité de l'instrumentation mis en œuvre / This doctoral thesis presents a methodology for the online condition monitoring of the electrical power drive in wind energy systems based on the local measurement of the DC-bus magnetic field. The work is divided into two complementary parts. In the first part, some contributions related to the estimation of the state and parameters for certain classes of nonlinear systems are provided. The estimators have been validated in simulation and on test benches. The second part focuses on the implementation and control design of two benchmarks used to study defects in a doubly-fed induction generator (DFIG) system and an induction motor power drive. In the former benchmark, the parameters identification of the induction machine and the controller design of the DFIG system are carried out. For the latter test bench, the notable work is to build an induction machine drive for the purpose of fault investigation, in which a PWM generator is developed to control and create the fault of the converter. Furthermore, virtual sensors are designed to estimate mechanical speed that is used to calculate the characteristic frequencies, and mechanical torque signal that has influence on the amplitude of some typical fault signatures. Finally, based on the theoretical aspect of the selected faults, the relevant simulations are developed and experiments are implemented on the benchmarks in order to validate the proposed technique. It has been shown that the diagnostic relying on the magnetic field measurement is feasible and offers various advantages such as simplicity and cost-effectiveness

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

La commande de systèmes physiques s’avère être une tâche difficile en général. En fonction du modèle choisi, les outils mathématiques pour l’analyse et la conception de lois de commande peuvent changés. Pour les systèmes décrits par une représentation entrée-sortie, type transfert, ou par une équation de type état, les principales informations exploitées lors de la phase d’analyse concerne la structure interne du modèle (structure finie) et la structure externe (structure à l’infini) qui permettent avant la phase de synthèse de connaître, sur le modèle en boucle ouverte, les propriétés des lois de commande envisagées ainsi que les propriétés du système piloté (stabilité…).Le travail porte principalement sur l’étude des zéros invariants des systèmes physiques représentés par bond graph, en particulier dans un contexte de modèle type LTV. L’approche algébrique est essentielle dans ce contexte car même si les aspects graphiques restent très proches du cas linéaire classique, l’extension aux modèles LTV reste très complexe d’un point de vue mathématique, en particulier pour le calcul de racines de polynômes. De nouvelles techniques d’analyse des zéros invariants utilisant conjointement l’approche bond graph (exploitation de la causalité) et l’approche algébriques ont permis de mettre en perspective certains modules associés à ces zéros invariants et de clarifier le problème d’annulation des grandeurs de sortie. L’application aux problèmes d’observateurs à entrées inconnues a permis d’illustrer nos propos sur des exemples physiques, avec certaines extensions, problèmes pour lesquels les zéros invariants apparaissent aussi comme éléments essentiels / The control synthesis of physical systems is a complex task because it requires the knowledge of a "good model" and according to the choice of a model some specific tools must be developed. These tools, mainly developed from a mathematical and theoretical point of view, must be used from the analysis step (analysis of model properties) to the control synthesis step. It is well-known that in many approaches, the properties of the controlled systems can be analyzed from the initial model. If the system is described with an input-output representation or with a state space representation, two kinds of information are often pointed out: the external structure (infinite structure) and the internal structure (finite structure). The first one is often related to the existence of some control strategies (input-output decoupling, disturbance decoupling...) and the second one gives some focus on the stability property of the controlled system.In this report, the focus has been on the study of invariant zeros of bond graph models in the context of LTV models. The algebraic approach was essential because, even if the problem is already solved for LTI bond graph models, the extension to LTV models is not so easy. The simultaneous use of algebraic and graphical approaches has been proven to be effective and convenient to solve this problem. First, some tools from the algebraic approach have been recalled in chapter one and results for the study of invariant zeros of LTI bond graph models recalled in chapter two. Some new developments are proposed in chapter three and some applications for the unknown input observer problem with some physical applications conclude this work

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.

Le moteur à réluctance variable (MRV) est en train de gagner beaucoup d'intérêt dans les applications de traction électrique grâce à la compatibilité significative entre ses caractéristiques naturelles et les exigences de l'industrie automobile. Cependant, à cause de la caractéristique fortement non linéaire des grandeurs électromagnétiques du MRV, l'usure du moteur, les variations paramétriques dues aux tolérances de fabrication, et la dérive des paramètres durant le fonctionnement, les stratégies de commande classique ne permettent pas d'assurer des hautes performances de suivi de trajectoire et de robustesse en stabilité dans l'environnement de fonctionnement d'un véhicule électrique. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de commande robustes du MRV en prenant en considération les contraintes imposées par les applications de traction. Afin d'atteindre cet objectif, une structure de commande en cascade, composée d'une boucle externe de vitesse et d'une boucle interne de courant, est envisagée. Les objectifs de synthèse sont ensuite fixés à travers un cahier des charges formulé en termes de gabarits fréquentiels, et les correcteurs robustes et adaptatifs de vitesse et de courant sont ainsi synthétisés en se basant sur les approches de commande H-infini et LPV/H- infini. La faisabilité des correcteurs constitue également un critère important dans les applications de traction électrique où la puissance de calcul embarqué dans le véhicule est très limitée. Ce critère est pris en considération dans cette thèse à travers l'utilisation des approches de synthèse des correcteurs H- infini d'ordre fixe. Les performances de ces correcteurs sont analysées et comparées avec les performances des correcteurs H- infini classiques à travers une étude par la μ-analyse de la robustesse en stabilité et une évaluation expérimentale. Le deuxième objectif de ces travaux de thèse est d'évaluer l'intérêt de la commande sans capteurs mécanique du MRV en se basant sur des méthodes d'estimation. Des observateurs robustes basés sur les modes glissants et le filtrage de Kalman sont ainsi synthétisés. Les performances et la robustesse de ces observateurs sont ensuite comparées expérimentalement dans une perspective d'une application de traction électrique. / The switched reluctance motor (SRM) is gaining much interest in electric vehicle applications. It includes robustness to harsh operational conditions, rugged structure, fault tolerant operation and a wide range of speed. However, due to the highly nonlinear electromagnetic characteristic, wear and tear of motor, manufacturing tolerances and parameters drift during operation, classical control strategies do not ensure high dynamical performance and robustness under various operating conditions in electric vehicle environment. In this context, the first purpose of this thesis is to propose robust control strategies of the SRM taking into account the constraints imposed by electric vehicle applications. To achieve this objective, a cascade control scheme is adopted; it consists of an outer speed loop and an inner current loop. Controllers design aims are fixed through specifications formulated in frequency domain, robust and adaptive controllers of speed and currents are thus synthesized based on H- infini and LPV/H- infini control approaches. Feasibility of these controllers is also an important criterion in electric vehicles applications where embedded computing power is very limited. This criterion is taken into account in this thesis by using fixed order controller synthesis approaches. The performances of these controllers are analyzed and compared with the performances of standard H- infini controllers through an experimental evaluation and a robustness analysis is performed using the concept of the Singular Structured Value, i.e. the μ-analysis. The second objective of this thesis is to assess the interest of the sensorless control of SRM. Robust observers based on second order sliding mode (SMO2) and Kalman filtering techniques (EKF) are designed to estimate the mechanical states of SRM. Performances and robustness of these observers are then compared experimentally in perspective of electric vehicle application.

This thesis deals with the modelling, simulation and control of Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) used specially in electric and hybrid vehicles. With the availability of fast semiconductor switches and high speed processors, Vector controlled drives are gaining popularity. One disadvantage of this type of control however, is the need for high cost, high resolution sensors (encoders) for determining the rotor position. Position sensorless schemes have evolved over a decade and this thesis addresses this issue. Two schemes have been proposed for the elimination of encoders in vector controlled drives. One is a semi-sensored scheme wherein a combination of low cost hall sensors and a digital position estimator gives the position information. In the second scheme, a reduced order observer called Luenbuerger observer has been used to estimate speed and rotor angle. The problem of finding rotor angle at standstill has also been dealt with. This thesis also discusses the difference in simulating a BLDC (Brushless DC) and PMSM machine. An experimental set-up consisting of MOSFET inverter and TMS320LF2407 DSP based digital controller was developed in the laboratory to implement the control algorithms. Two PMSM machines were procured from a two-wheeler manufacturer to set up the rig. Simulations were done in MATLAB/ Simulink (Off-line) and Xilinx XC3S400 (in real-time) to verify the concepts. Simulation and experimental results are finally compared.

With the increased performance and reduced cost of cameras, the robotics community has taken great interest in estimation and control algorithms that fuse camera data with other sensor data.In response to this interest, this dissertation investigates the algorithms needed for robust guidance, navigation, and control of fixed-wing and multirotor aircraft applied to target estimation and circumnavigation.This work begins with the development of a method to estimate target position relative to static landmarks, deriving and using a state-of-the-art EKF that estimates static landmarks in its state.Following this estimator, improvements are made to a nonlinear observer solving part of the SLAM problem.These improvements include a moving origin process to keep the coordinate origin within the camera field of view and a sliding window iteration algorithm to drastically improve convergence speed of the observer.Next, observers to directly estimate relative target position are created with a circumnavigation guidance law for a multirotor aircraft.Taking a look at fixed-wing aircraft, a state-dependent LQR controller with inputs based on vector fields is developed, in addition to an EKF derived from error state and Lie group theory to estimate aircraft state and inertial wind velocity.The robustness of this controller/estimator combination is demonstrated through Monte Carlo simulations.Next, the accuracy, robustness, and consistency of a state-of-the-art EKF are improved for multirotors by augmenting the filter with a drag coefficient, partial updates, and keyframe resets.Monte Carlo simulations demonstrate the improved accuracy and consistency of the augmented filter.Lastly, a visual-inertial EKF using image coordinates is derived, as well as an offline calibration tool to estimate the transforms needed for accurate, visual-inertial estimation algorithms.The imaged-based EKF and calibrator are also shown to be robust under various conditions through numerical simulation.

Habitat Evaluation Procedure data gathered at Ray Roberts Lake in 1989 and 1990 were analysed for temporal variability, observer variability and relationships between Habitat Units (HUs) and species density/diversity. observer variability within a group was analysed by cluster analysis and bootstrapping. Five out of 36 sites showed significant differences in Habitat Suitability Index (HSI) values within the group. A nonparametric Mann-Whitney test was used to analyze temporal variability. One of 6 sites showed a significant difference in HSI values between years. Using Spearman's Rank Correlation Coefficient, a correlation was found between indicator species density and HUs. No significant correlation was indicated between species diversity and HUs.

Ce travail de thèse a pour objectifs l'observation et la commande des convertisseurs multi-niveaux et la commande des machines synchrones. Pour satisfaire le besoin des clients de l’entreprise GS Maintenance et pour des raisons de maintenance, une commande en courant de la machine synchrone est implémentée expérimentalement. L'accent est mis sur le démarrage de ce type de machines car durant ces phases de fonctionnement (basses vitesses), les forces électromotrices sont faibles pour assurer la commutation des thyristors de l'onduleur. Ensuite, l'entreprise a proposé à ses clients un convertisseur statique en moyenne tension afin de garder sa place dans la variation de vitesse. Dans ce cadre, une commande en tension moderne de la machine synchrone alimentée par un onduleur de tension est proposée et validée par des résultats de simulation. Compte tenu du fonctionnement en moyenne tension, les convertisseurs multi-niveaux ont été retenus par l’entreprise. Dans ce cadre, le convertisseur multicellulaire série est proposé dans ce travail et une commande directe basée sur la théorie des modes glissants et le principe de priorité est conçue pour assurer l'équilibrage des tensions flottantes du convertisseur. Cette commande a été généralisée pour un nombre quelconque de cellules du convertisseur et validée par des résultats de simulation pour un nombre de cellules égal à 7. Pour réduire le coût et l'encombrement du convertisseur, un observateur adaptatif des tensions flottantes est proposé en prenant en compte les états de commutation du convertisseur. Cet observateur est ensuite associé à la commande directe en boucle fermée. Un banc d'essai du convertisseur à 3 cellules est réalisé au sein de l’entreprise et l’ensemble « observateur + commande directe » est testé expérimentalement sur ce banc. / This PhD thesis aims to the observation and control of multilevel converters and the synchronous machines control. To satisfy the needs of GS Maintenance's customers and for maintenance reasons, a control strategy for a current fed self controlled synchronous machine is validated by experiments tests. The proposed strategy focus on a very low speed because the machine counter electromotive force is insufficient for inverter thyristors switching. Recently, the company proposed for its customers a power converter with medium voltage to keep its place in the speed variation. So, a modern voltage control of the synchronous machine fed by a voltage inverter is proposed and validated by simulation results. Medium voltage operation encouraged the company to choose the multi-level converter. Then, the flying capacitor converter is proposed in this work and a direct control based on the sliding mode theory and the priority principle is designed to guarantee the voltage balance. This control strategy has been generalized for any number of cells of the converter and validated by simulation results for a 7 cells converter. To reduce the cost and complexity of the converter, an adaptive observer floating voltages is proposed by taking into account the switching states of the converter. This observer is then associated with the direct control in closed loop. A test bench of a 3 cells converter is set up in the company. Experimental tests of « observer based direct control » are then conducted on this test bench.

Les interfaces haptiques à retour d’effort sont des dispositifs robotiques capables deproduire des forces à destination de l’utilisateur en téléopération et en réalité virtuelle. L’utilisation d’interface à retour d’effort en Conception Assistée par Ordinateur (CAO) offre de nouvelles perspectives pour la création et la conception de formes 3D grâce à une interactivité à la fois visuelle et kinesthésique. Elles permettent à la fois de visualiser, de manipuler en temps réel des objets virtuels et d’en ressentir les efforts (liés aux contacts, à la déformation, etc.).Les travaux présentés dans cette thèse contribuent au développement d’interfaces àretour d’effort pour répondre au mieux aux besoins de la CAO. Dans ce mémoire, l’accent est placé sur la problématique de la stabilité et son exploitation pour la commande de l’interface mais aussi pour la conception électromécanique. L’ensemble des travaux porte sur une interface à un degré de liberté.Dans un premier temps, différents facteurs liés au système mécanique (amortissement, modes vibratoires) et à l’environnement virtuel (échantillonnage, retard. . .) agissant sur la stabilité d’une interface sont mis en évidence à l’aide de critères fréquentiels. Ensuite, la conception d’une interface (choix et dimensionnement des composants) est ramenée sous forme d’un problème d’optimisation incluant une contrainte liée à la stabilité (en termes de domaine d’utilisation) et un critère de maximisation de la transparence (en termesd’inertie du dispositif).Dans un second temps, l’architecture de commande des dispositifs haptiques est étudiée. À l’aide d’une nouvelle condition de stabilité asymptotique pour les systèmes en temps discret à retard variable et en utilisant un observateur d’état augmenté comme alternative à l’utilisation standard de la méthode des différences finies arrières, la synthèse d’une nouvelle architecture de commande est proposée.La dernière partie du mémoire aborde la description du banc d’essai expérimental développé pendant le travail de thèse ainsi que les résultats des tests réalisés. / Force feedback haptic interfaces are robotic devices which are able to produce forces for the user in a teleoperation or virtual reality context. The integration of force feedback haptic interfaces in Computer-Aided Design (CAD) systems offers new perspectives for modeling and design of 3D objects by combining both visual and kinesthetic interaction. It allows viewing and manipulating virtual objects in real-time with a sense of touch (linked to contact, deformation, etc.).The works presented in this thesis contribute to the development of a force feedbackhaptic device to meet the needs of CAD at the best. In this thesis manuscript, the emphasis is put on the stability issue and its exploitation for the control of the device but also for the electromechanical conception. All the presented works concern an interface with one degree of freedom. First, several factors relative to the mechanic system (physical damping, vibration modes) and to the virtual environment (sampling period, delay-time, etc.) acting on the interface stability are highlighted through frequency domain stability criteria. Then, the interface design (choice and sizing of components) is expressed on the form of an optimization problem including a constraint linked to stability (in terms of application area).In a second part, the control architecture of haptic devices is studied. Using a newstability criterion for systems in discrete time with variable delay and an augmented state observer as an alternative to the standard finite difference scheme, the synthesis of novel control architecture is proposed.The last part of the manuscript deals with the description of the experimental testbench developed during the thesis period together with the results of some realized tests.