Cette thèse s’intéresse à la détection et la localisation de défaillances pour des Systèmes Dynamiques Hybrides (SDH), en utilisant des indicateurs de défauts, appelés résidus. Une méthodologie par observateur hybride utilisant deux modules d'observation est proposée : un module dédié à l’identification du mode actif, permettant la détection des défauts discrets (défauts entraînant un changement de mode de fonctionnement) et l’autre module réalisant l’estimation d’état continu, permettant la détection et la localisation des défaillances des capteurs et actionneurs. Dans le cas réel, les systèmes se trouvent dans un environnement bruité. Une méthode d’évaluation basée sur la norme des résidus est proposée afin de détecter le mode actif en présence de ces perturbations. Une méthode de placement de pôle classique ainsi qu’une technique utilisant des fonctions de Lyapunov multiples sont étudiées. Des observateurs à entrée inconnue (UIO : Unknown Input Observers) sont conçus pour générer des résidus sensibles aux défauts et robustes aux perturbations afin de répondre au Problème Fondamental de Génération des Résidus (PFGR). Une analyse de la robustesse/sensibilité sous une formulation LMI est présentée. Afin de garantir la détection des changements de modes et donc des défauts de type « discrets », une condition nécessaire de discernabilité entre modes est proposée. Une méthodologie de surveillance utilisant des graphes de comportements normaux et défaillants est enfin proposée afin de minimiser le nombre de résidus calculés à chaque instant. Les résultats théoriques et méthodologiques de cette thèse sont illustrés sur des exemples académiques en simulation. / This thesis focuses on Fault Detection and Isolation (FDI) of Hybrid Dynamical Systems (HDS) using fault indicator signals, known as residuals. A method based on hybrid observers is proposed. It uses two observation modules: a module whose aim is to identify the active mode, allowing the detection of discrete faults (faults making the system switch to a new – abnormal - operation mode) and the other module performing the continuous state estimation, allowing the sensors and actuators FDI. In the real case, the system operates in a noisy environment. An evaluation method based on the norm of the residuals (estimation errors) is proposed to detect the active mode in the presence of these disturbances. The observer design is done through a classical pole placement method and a technique using multiple Lyapunov functions to ensure the exponential convergence of the estimation of SDH in the no fault situation. Unknown Input Observers (UIO) are also designed to generate residuals which are sensitive to faults and robust to disturbances, as requested in the Fundamental Problem of Residual Generation (FPRG). The robustness / sensitivity of the residuals is studied through an LMI formulation. To ensure the detection of mode switching and therefore detect the “discrete-type” faults, a necessary condition of mode discernability (distinguishability between modes) is proposed. A FDI methodology using normal and faulty behavioral graphs is finally described whose objective is to minimize the number of residuals to be on-line calculated at each time-instant. The theoretical and methodological results of this thesis are illustrated on academic simulation examples.

Les Systèmes Hybrides sont des systèmes dynamiques dont le comportement résulte de l’interaction entre une dynamique continue et une dynamique discrète. Cette thèse concerne la synthèse de contrôleurs tolérants aux pannes pour ce type de système. Dans une première partie, des méthodes de commande tolérante aux défauts sont proposées afin de maintenir les performances continues. Différents systèmes hybrides sont considérés en fonction du type de commutation. Deux idées sont développées: la première est de synthétiser la loi de commande tolérante afin de stabiliser chaque mode défaillant puis d’appliquer les résultats sur la stabilité des SH. La deuxième idée est de rechercher directement la stabilité du SH sans reconfigurer le contrôleur dans chaque mode défaillant instable. L’objectif de la commande tolérante peut être atteint si les effets négatifs des modes instables sont compensés par ceux des modes stables. Dans une deuxième partie, différentes techniques sont proposées afin de maintenir les spécifications discrètes. L’idée maîtresse est de reconfigurer la partie discrète en tenant compte de l’atteignabilité des dynamiques continues. Enfin, plusieurs solutions de commande supervisée tolérante aux défauts sont proposées. Les schémas reposent sur un schéma simple de commutation de contrôleur. La stabilité du système pendant la le diagnostic et le retard d’application de la commande peut être garanti. De nombreux exemples sont traités pour illustrer les performances des résultats théoriques : systèmes électroniques, moteurs à courant continu, unité centrale de traitement, systèmes manufacturiers, systèmes de transport intelligent et véhicule électrique automatisé. / Hybrid systems (HS) are dynamical systems that involve the interaction of continuous and discrete dynamics. This thesis is concerned with the design of fault tolerant controllers (FTC) for that kind of systems. Firstly, for HS with various switching a set of FTC methods based on continuous system theories are proposed to maintain the systems' continuous performance. Two natural ideas are considered: One way is first to design FTC law to stabilize each faulty mode, and then apply the stability results of HS. Another way is to research directly the stability of HS without reconfiguring the controller in each unstable faulty mode. Secondly, for HS where discrete specifications are imposed, a set of schemes are derived from discrete event system (DES) point of view to keep these discrete specifications. The key idea is to reconfigure the discrete part by taking into account the reachability of the continuous dynamics, such that the specification is maintained. Finally, based on HS approaches, several supervisory FTC schemes are developed. The proposed FTC schemes do not need a series of models or filters to isolate the fault, but only rely on a simple controller switching scheme. The stability of the system during the fault diagnosis and FTC delay can be guaranteed.The materials in the monograph have explicit and broad practical backgrounds. Many examples are taken to illustrate the applicability and performances of the obtained theoretical results, e.g. Circuit systems; DC motors; CPU process; Manufacturing system; Intelligent transportation systems and electric automated vehicles, etc.

Dans cette thèse nous proposons une nouvelle méthode d'isolation et d'identification de défaut singulier pour les systèmes dynamiques non linéaires. Cette méthode est basée sur la caractéristique de monotonicité de l'erreur de prédiction de l'observateur en fonction de la différence des paramètres. L'ensemble des valeurs admissibles de chaque paramètre est subdivisé en un certain nombre d'intervalles. On construit un observateur d'isolation pour chaque intervalle, cet observateur est initialisé dans l'intervalle considéré. Après l'occurrence du défaut, la valeur du paramètre défectueux doit être dans un des intervalles du paramètre. L'amplitude du résidu calculé par l'observateur d'isolation correspondant à cet intervalle (celui qui contient la valeur du paramètre défectueux) sera dans le domaine limité par deux seuils dynamiques à tout instant. Par contre, les résidus correspondant aux autres intervalles auront de grandes amplitudes et leurs évolutions ne sont pas limitées par les deux seuils dynamiques correspondants. Par conséquent l'intervalle contenant la valeur du paramètre défectueux peut être déterminé et le défaut est donc isolé et identifié. Différentes versions de cette méthode ont été développées : une première avec des seuils fixes, une seconde avec des seuils adaptatifs et une dernière sans seuils. On peut montrer que cette méthode a des points communs avec celle basée sur les observateurs adaptatifs. Cependant, cette dernière a un inconvénient majeur qui est la lenteur de sa vitesse d'isolation. La méthode que nous proposons dans ce travail nous permet de pallier ce problème de la lenteur de vitesse d'isolation.