Le phénomène d'encrassement dans les échangeurs thermiques est actuellement un sujet important. En effet l'encrassement est un phénomène couteux qui provoque (directement ou indirectement via un surdimensionnement des installations) une augmentation des pertes énergétiques, une hausse de la consommation d'eau. Par effet lié, l’encrassement a un impact environnemental non négligeable dû principalement à une augmentation de l’émission de dioxyde de carbone. La détection de l'encrassement peut se faire de manière très ponctuelle en utilisant des capteurs spécifiques et coûteux ou, globalement, soit en mesurant la variation de masse de l’échangeur, soit en évaluant l’efficacité de l’échangeur à travers le coefficient de transfert – ces deux dernières méthodes exigeant des conditions de fonctionnement très particulières : l’arrêt pour la première et un fonctionnement en régime permanent pour la seconde. Les travaux présentés dans cette thèse consistent au développement d’observateurs non linéaires qui permettent de détecter l'encrassement suffisamment tôt pour mettre en place un système d'entretien efficace. Pour cela, un modèle de dimension finie d’un échangeur tubulaire à contre courant a été défini en début de thèse. Trois solutions basées sur le développement d'observateurs non linéaires de type Takagi-Sugeno appliqués au problème de détection d'encrassement dans les échangeurs thermiques sont proposées. La première consiste en une batterie d'observateurs qui estime les paramètres d'encrassement par une méthode d'interpolation. La deuxième propose un observateur polynomial de type Takagi-Sugeno en utilisant la théorie des sommes de carrés. Enfin, un observateur de type Takagi-Sugeno à entrées inconnues est développé. Une comparaison entre ces différentes méthodes est effectuée en conclusion cette thèse. / The phenomenon of fouling in heat exchangers is currently an important topic. Indeed, the fouling is a costly issue that increases the energy loss (directly or indirectly through an over-sizing of the equipment), and therefore increases the water consumption. As a side effect, fouling increases CO² consumption that leads to environmental consequences. Fouling can be detected either on local scale, using expensive and specific sensors or on global scale. Global estimation of fouling can be done by measuring the variation of the mass of the exchanger, or by estimating the efficiency of the exchanger through the transfer coefficient. These two methods require very restricting conditions: a powered exchanger to measure mass variation and a steady state exchanger to estimate the efficiency. The work introduced in this thesis deals with the development of non-linear observers that detect fouling early enough to start an efficient cleaning process. As a beginning, a finite element model of a counter current tubular exchanger was proposed. Then three approaches, based on non-linear Takagi-Sugeno observers, were suggested to detect early fouling in heat exchangers. First approach consisted in a set of observers that estimated the parameters of fouling effect through an interpolation method. The second approach proposed a polynomial Takagi-Sugeno observer, using the theory of sums of squares. Finally, a observer of Takagi-Sugeno type with unknown inputs was developed. As a conclusion, a comparison between those different methods was done.

Les personnes vivant avec une lésion de la moelle épinière (LMÉ) subissent une réduction drastique de leurs capacités sensori-motrices en dessous du niveau de la lésion. Cette pathologie influence négativement leur contrôle postural, vu comme le résultat de contributions actives, passives et neuronales. Une approche par modèle est choisie afin de représenter ces différentes contributions et mieux comprendre le contrôle postural en position assise. Deux problèmes apparaissent. Tout d’abord les modèles existants de la position assise sont très rares et inapplicables à l’étude des personnes vivant avec une LMÉ qui, dans l’absence de contrôle musculaire au niveau du tronc, vont utiliser leurs membres supérieurs pour s’équilibrer. De plus, les équations non linéaires sous forme descripteur des modèles biomécaniques existant sont linéarisées dans la majorité des cas afin de simplifier les équations obtenues ce qui n’est plus valable dans le cas de mouvements de grande amplitude. Or des travaux récents fournissent des outils pour analyser ces modèles en utilisant le formalisme de Takagi-Sugeno issu de la logique floue. Ce travail est focalisé sur l’étude du contrôle postural des personnes vivant avec une LMÉ par des outils de l’automatique non linéaire, trois objectifs sont définis : 1. Proposer des modèles biomécaniques non linéaires de la stabilité en position assise pour les personnes vivant avec une LMÉ. 2. Utiliser des méthodes d’écriture de modèle du domaine de l’automatique non linéaire afin de créer les outils nécessaires à l’estimation des variables internes (non mesurées) au modèle. 3. Améliorer la connaissance de la stabilité chez les personnes vivant avec une LMÉ par l’estimation expérimentale d’efforts internes en fonction de paramètres personnels et des conditions expérimentales. Les modèles créés dans ce manuscrit sont, à notre connaissance, les premiers à représenter la stabilité assise en considérant le déplacement des membres supérieurs. Il s’agit également des premiers modèles biomécaniques à utiliser les avancées récentes de l’automatique non linéaire pour l’estimation d’efforts internes non mesurables. / The ability to maintain stability in an unsupported sitting position often becomes challenging after an individuals is affected by a spinal cord injury (SCI). In order to better understand sitting postural control as a combination of active, passive and neuronal contribution, a modelling approach is chosen. Two problems arise; first of all, existing models of sitting control are very scarse and inapplicable to people living with a SCI who will use their upper in a compensatory strategy to balance their trunk. Moreover, the majority of biomechanical models nonlinear equations are linearized with small angle hypothesis for an easier processing which is not acceptable when movements become large. Recent advances in nonlinear control theory provide the theoretical tools for the creation of nonlinear observers using the Takagi-Sugeno fuzzy formalism. This work aims at the study of postural control for people living with a SCI by use of nonlinear tools from control theory; three main goals are formulated: 1. Creating new nonlinear biomechanical models aiming at the study of sitting stability of people living with SCI. 2. Using tools coming from nonlinear control theory to estimate model unmeasured variable 3. Improve the current knowledge on stability for people living with a SCI by estimating internal efforts depending on personal parameters in experimental conditions. The models created in this manuscript are, to the best of our knowledge, the first to consider the upper limbs displacement for the control of sitting stability and the first biomechanical models to use the recent advances in nonlinear control theory for the estimation of unmeasured variables.

In dieser Arbeit werden lineare zeitinvariante endlichdimensionale Systeme (LTI-Systeme) mit m > 1 Eingängen und p > 1 Ausgängen untersucht (MIMO-Systeme). Diese lassen sich darstellen durch lineare Gleichungen mit Matrizen, deren Einträge Polynome im Ableitungsoperator d/dt sind. Bei Nutzung der Laplace-Transformation handelt es sich um Polynome in s. Algebraisch bilden diese einen Euklidischen Ring. Durch Überführung der Matrizen in die Hermitesche Normalform werden m Basisgrößen definiert. Die Verläufe oder Trajektorien der Basisgrößen lassen sich frei vorgegeben. Damit werden die Trajektorien sämtlicher übrigen Signale, insbesondere die der erforderlichen Eingangssignale, festgelegt und können ohne Integration berechnet werden. Ein linksteilerfremdes (auch steuerbar genanntes) Modell ist dabei nicht zwingend erforderlich. Damit eignen sich die Basisgrößen besonders zur Planung von Trajektorien. Genauer untersucht wird die Planung mit Polynomen in der Zeit als Ansatzfunktionen und die Planung von Trajektorien, die ein quadratisches Kostenfunktional minimieren. In der technischen Praxis werden die Systeme stets von den geplanten Trajektorien abweichen. Insbesondere bei instabilen Regelstrecken ist deshalb ein stabilisierender Folgeregler unentbehrlich. Die Struktur der Folgeregelung wird eingeführt und es wird deutlich gemacht, dass jede Methode zum Entwurf linearer Regler angewendet werden kann. Die Nullstellenzuweisung durch dynamische Ausgangsrückführung mit Reglern vorgegebener möglichst geringer dynamischer Ordnung wird detailliert untersucht und eine neue Lösungsmöglichkeit aufgezeigt. Durch Nutzung der modifizierten z-Transformation lässt sich die Theorie auf ein hybrides System, bestehend aus einer zeitkontinuierlichen Regelstrecke und einer zeitdiskreten digitalen Steuerung und Regelung, ausdehnen. Dabei werden die Verläufe der Signale zwischen den Abtastzeitpunkten in die Planung einbezogen. Zum Schluss werden die linearen Beobachter im Licht der polynomialen Matrizendarstellung neu untersucht. Es wird gezeigt, dass die polynomiale Matrizendarstellung einen theoretischen Rahmen bietet, in dem sich sämtliche linearen Beobachter mit einer Methode entwerfen lassen. - (Die Dissertation ist veröffentlicht in der Reihe Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 8 - Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik, Band 1164 im VDI Verlag GmbH, Düsseldorf, ISBN 978-3-18-516408-8) / In this thesis linear time invariant lumped systems (LTI-systems) with m>1 inputs and p > 1 outputs (MIMO-systems) are investigated. These systems can be represented by linear equations with matrices, whose entries are polynomials in the differential operator d/dt. If Laplace-transform is employed, the polynomials are in s. Algebraically polynomials form a Euclidean ring. The conversion of the matrices to the Hermite form leads to defining m basic variables. The trajectories of the basis variables may be chosen arbitrarily. With that choice the trajectories of all remaining variables and especially the input variables are determined and can be calculated without integration. A left coprime (also called controllable) model is not required. Hence basis variables are particularly useful for planning trajectories. Special attention is paid to planning trajectories with polynomials in time as basic functions and planning trajectories which minimise a quadratic functional of costs. In engineering practice the systems will always differ from the planed trajectories. Especially with unstable plants a stabilising tracking controller is compulsory. The structure of the tracking control is introduced. It becomes apparent that every linear theory for the design of closed loop controllers is suitable. Pole assignment by dynamic output feedback with low order controllers of a fixed structure is looked at in more detail. A new approach to this problem is presented. Using the modified z-transform the theory is extended to hybrid systems consisting of a digital or discrete time controller and a plant in continuous time. Thereby the course of the signals between the sampling moments is taken into account. Finally linear observers are reinvestigated using the polynomial matrix representation. It is shown that the polynomial matrix representation provides a theoretical framework in which all linear observers can be designed.

Les stratégies de commande avancée des machines électriques nécessitent une connaissance précise de la position et/ou de la vitesse du rotor. Ces grandeurs mécaniques sont traditionnellement mesurées par des capteurs, ce qui augmente le coût et diminue la fiabilité et la robustesse du système. D’où l’importance de la commande sans capteurs mécaniques, dite commande sensorless : elle consiste à remplacer les capteurs physiques par un observateur d’état, qui estime les grandeurs mécaniques en se basant sur un modèle de la machine et à partir de ses entrées (tensions) et ses sorties (courants mesurés). Toutefois, avant d’entamer la synthèse d’un observateur, il faut examiner l’observabilité du système, c.à.d. vérifier si les grandeurs à estimer peuvent être reconstruites à partir des mesures et des entrées du système.Ce travail de thèse concerne la modélisation et l’étude d’observabilité des machines électriques en vue de la commande sensorless. Dans un premier temps, les modèles des machines électriques sont établis, et il est montré qu’une modélisation unifiée des machines à courant alternatif est possible. Ensuite, en se basant sur ces modèles, l’observabilité des machines électriques est étudiée en vue de la commande sensorless. La théorie d’observabilité instantanée locale est appliquée, ce qui permet de formuler des conditions analytiques, faciles à interpréter et à vérifier en temps-réel, et qui font le lien avec les phénomènes physiques dans les machines. La validité des conditions d’observabilité est confirmée par des simulations et sur des données expérimentales, en appliquant un observateur de type Kalman étendu.Cette thèse contribue à une nouvelle vision des machines à courant alternatif commandées sans capteurs mécaniques, et à une compréhension plus profonde de leurs propriétés. Elle contribue ainsi à la synthèse de stratégies d’observation plus performantes dans les régimes de fonctionnement critiques (à vitesse nulle et/ou à fréquence d’entrée nulle).Les nouveaux concepts proposés dans cette thèse, tels que le flux équivalent et le vecteur d’observabilité, avec les résultats obtenus, ouvrent de nouveaux horizons dans un domaine qui paraît devenir assez mature. / High-performance control of electric drives requires an accurate knowledge of the rotor position and/or speed. These mechanical variables are traditionally measured using sensors, which increases the cost and reduces both the robustness and the reliability of the system. This emphasizes the importance of electric drives control without shaft sensors, often referred to as sensorless control : it consists of replacing sensors with a state observer algorithm, that estimates the desired mechanical variables from currents and voltages sensing and based on the system’s model. Nevertheless, before designing a state observer, the observability ofthe system should be examined, that is, it should be checked whether the states to be estimated can be reconstructed, unambiguously, from the input/output signalsof the system.This work addresses the modeling and the observability analysis of electric drives in the view of mechanical sensors removal. Firstly, electrical machines models areelaborated, and it is shown that a unified modeling of alternating current machines is feasible, for the purpose of designing unified control and estimation strategies.The observability of the machines’ models is next studied in the view of sensorless control. The local instantaneous observability theory is applied, which enables us to formulate physically insightful analytic conditions that can be easily interpreted and tested in real time. The validity of the observability conditions is confirmed by numerical simulations and experimental data, using an extended Kalman observer.This work contributes to novel outlooks on the sensorless alternating current drives and to a deeper understanding of its properties, in order to develop higher performance estimation techniques in the critical operating conditions (mainly at standstill and/or zero-stator-frequency).The concepts introduced throughout this thesis, such as the equivalent flux and the observability vector, with the obtained results, open new horizons in a domainthat seems to become mature enough.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / A gradient free function optimization technique, namely particle swarm optimization (PSO) algorithm, is utilized in parameter identification of the electrochemical model of a Lithium-Ion battery having a LiCoO2 chemistry. Battery electrochemical model parameters are subject to change under severe or abusive operating conditions resulting in, for example, Navy over-discharged battery, 24-hr over-discharged battery, and over-charged battery. It is important for a battery management system to have these parameters changes fully captured in a bank of battery models that can be used to monitor battery conditions in real time. In this work, PSO methodology has been used to identify four electrochemical model parameters that exhibit significant variations under severe operating conditions. The identified battery models were validated by comparing the model output voltage with the experimental output voltage for the stated operating conditions. These identified conditions of the battery were then used to monitor condition of the battery that can aid the battery management system (BMS) in improving overall performance. An adaptive estimation technique, namely multiple model adaptive estimation (MMAE) method, was implemented for this purpose. In this estimation algorithm, all the identified models were simulated for a battery current input profile extracted from the hybrid pulse power characterization (HPPC) cycle simulation of a hybrid electric vehicle (HEV). A partial differential algebraic equation (PDAE) observer was utilized to obtain the estimated voltage, which was used to generate the residuals. Analysis of these residuals through MMAE provided the probability of matching the current battery operating condition to that of one of the identified models. Simulation results show that the proposed model based method offered an accurate and effective fault diagnosis of the battery conditions. This type of fault diagnosis, which is based on the models capturing true physics of the battery electrochemistry, can lead to a more accurate and robust battery fault diagnosis and help BMS take appropriate steps to prevent battery operation in any of the stated severe or abusive conditions.

In dieser Arbeit wird ein Motorschutzsystem vorgestellt, das die Temperaturen in Asynchronmotoren während des Betriebes zuverlässig und sensorarm berechnet und dabei leicht auf andere Motoren übertragbar ist. Neben dem Schutz vor unzulässiger Erwärmung können die auftretenden Wicklungsverluste für eine wirkungsgradoptimale Ansteuerung genauer ermittelt werden. Basis ist ein thermisches 9-Körper-Modell, das die Temperaturverläufe wesentlicher Maschinenteile abbilden kann. Der vorgeschlagene Identifikationsalgorithmus sorgt für eine hohe Übereinstimmung der Temperaturverläufe. Fehler im thermischen Modell oder der Verlustleistungsberechnung können durch die Rückführung eines einzelnen Temperatursensors und eines verbesserten Schätzers der Läuferwicklungstemperatur korrigiert werden. Das Überschreiten definierter Temperaturgrenzen kann mit der vorgeschlagenen Abschaltzeitprognose auch im Fehlerfall frühzeitig erkannt werden.

Diese Dissertation befasst sich mit der sensorgeführten Regelung von Industrierobotern zur Konturverfolgung. Beispiele dafür sind das robotergestützte Nähen, Entgraten oder das Auftragen von Dichtmasse entlang von Schweißnähten. Beim Nähen und Entgraten müssen während der Verfolgung der Kontur bestimmte Kontaktkräfte an möglicherweise nachgiebigen Werkstücken eingehalten werden. Dabei ist es in modernen Fertigungsprozessen wichtig, die Bewegung des Roboters mit wenig Einrichtaufwand vorzugeben. Dazu werden Sensorsysteme eingesetzt, die Bildinformationen und Kraftmessungen verarbeiten, um den Roboter mit gewünschter Kontaktkraft entlang sichtbarer Konturen eines Werkstückes zu führen. Der Fokus dieser Arbeit ist die Fusion der Sensordaten, um die Vorteile der einzelnen Sensoren in einer Aufgabe zu vereinen. Es werden Messwerte eines Kraft-Momenten Sensors, einer Kamera, eines Beschleunigungssensors und der kartesischen Position und Orientierung des Roboters verwendet. Zuerst wird die Berechnung der kartesischen Roboterposition untersucht. Es wird ein Beobachter vorgestellt, um unter Verwendung eines Beschleunigungssensors die Präzision des Positionssignales zu erhöhen. Anschließend wird das Kamerasystem untersucht und ein Verfahren vorgestellt, um Geschwindigkeit, Position und Orientierung des robotergeführten Werkzeuges entlang der Kontur vorzugeben. Danach wird auf die Ermittlung von Kontaktkräften eingegangen, wobei die Kompensation von Trägheitskräften mittels Beschleunigungssensoren untersucht wird. Der letzte Abschnitt befasst sich mit der Verbindung von bildgestützter Konturverfolgung und Kraftregelung an nachgiebigen Werkstücken. Durch die Nachgiebigkeit des Werkstückmaterials verformt sich die Kontur bei Kontakt. Durch bildgestützte Konturverfolgung wird eine Anpassung an diese Verformung vorgenommen -- somit besteht über die Verformbarkeit des Werkstückes eine Kopplung zwischen den beiden Regelkreisen. Diese Kopplung wird gelöst, indem auf Basis eines dynamischen Modells der Umgebung eine Kompensation der Werkstückverformung berechnet wird. Die Modellparameter zur Kompensation werden durch online Identifikation ermittelt. / This thesis focuses on the sensor-guided control of industrial robots for contour-following. Examples include the robot-guided sewing, grinding or the application of sealant along weld seams. Grinding and sewing require a certain contact force while following a countour of a workpiece, whereas the worpieces might be compliant. Modern production processes require a fast and simple way to set up the motion of the robot for the required task. Therefore sensor systems are used, which process visual and tactile information to guide the tool at a desired contact force along visible contours of a workpiece. The focus of this work is the fusion of sensor data, used to benefit from the advantages of each of the individual sensors in one control scheme. I combine the measurements of a force-torque sensor, a camera, an acceleration sensor and of the Cartesian position of the robot. First, I introduce details on the calculation of the Cartesian robot position. I present an observer-based structure that uses an acceleration sensor to improve the precision of the robot position signal. Then, I analyze the camera system and present a control structure that adapts the position, orientation and velocity of the robot-guided tool along the contour. Thereafter, I show details of force measurement, whereas I compensate for inertial forces using an acceleration sensor. The last chapter addresses the combination of visual contour-following and force control on compliant workpieces. Under a certain contact force, the workpiece deforms due to its compliance. The position and orientation then is adapted to this deformed contour by visual control -- hence, there is a coupling between force and visual control. This coupling is solved by compensating for workpiece deformation using a dynamic model of the environment. The environmental parameters for compensation are identified online.

Im Rahmen der geometrisch und physikalisch nichtlinearen Kontinuumsmechanik werden Beobachterkonzepte und Darstellungsformen tensorieller Größen diskutiert und zum Teil neu eingeführt, die insbesondere die Modellierung und FEM-Implementierung komplizierter Modelle für inelastisches Materialverhalten bei großen Deformationen wirkungsvoll unterstützen. / Observer concepts and several kinds of representations of tensorial quantities are discussed and partly introduced within the framework of geometrically und physically nonlinear continuum mechanics. They are intended to support the modelling of complicated inelastic materials undergoing large deformations.

Im Rahmen der geometrisch und physikalisch nichtlinearen Kontinuumsmechanik werden Beobachterkonzepte und Darstellungsformen tensorieller Größen diskutiert und zum Teil neu eingeführt, die insbesondere die Modellierung und FEM-Implementierung komplizierter Modelle für inelastisches Materialverhalten bei großen Deformationen wirkungsvoll unterstützen. / Observer concepts and several kinds of representations of tensorial quantities are discussed and partly introduced within the framework of geometrically und physically nonlinear continuum mechanics. They are intended to support the modelling of complicated inelastic materials undergoing large deformations.

Efficient energy use is primarily for any sensor networks to function for a longer time period. There have been many efficient schemes with various progress levels proposed by many researchers. Yet, there still more improvements are needed. This thesis is an attempt to make wireless sensor networks with further efficient on energy usage in the network with respect to rate of delivery of the messages. In sensor network architecture radio, sensing and actuators have influence over the power consumption in the entire network. While listening as well as transmitting, energy is consumed by the radio. However, if by reducing listening times or by reducing the number of messages transmitting would reduce the energy consumption. But, in real time scenario with critical information sensing network leads to information loss. To overcome this an adaptive routing technique should be considered. So, that it focuses on saving energy in a much more sophisticated way without reducing the performance of the sensing network transmitting and receiving functionalities. This thesis tackles on parts of the energy efficiency problem in a wireless sensor network and improving delivery rate of messages. To achieve this a routing technique is proposed. In this method, switching between two routing paths are considered and the switching decision taken by the server based on messages delivered comparative previous time intervals. The goal is to get maximum network life time without degrading the number of messages at the server. In this work some conventional routing methods are considered for implementing an approach. This approach is by implementing a shortest path, Gradient based energy routing algorithm and an observer component to control switching between paths. Further, controlled switching done by observer compared to normal initial switch rule. Evaluations are done in a simulation environment and results show improvement in network lifetime in a much more balanced way.