Un Palier Magnétique Actif (PMA) est un actionneur agissant à distance sur un mobile grâce à des champs électromagnétiques. Les PMA sont essentiellement utilisés pour positionner sans contact les rotors de machines tournantes avec les avantages suivants : augmentation de la vitesse de rotation au delà des 100 000 tr/m, réduction de maintenance (absence de système de lubrification), et introduction dans des environnements spécifiques (haute température, vide). Le balourd (perturbation due à la non coïncidence entre l'axe géométrique et l'axe d'inertie du rotor) provoque une accélération tournante qui s'applique au centre géométrique et modifie la trajectoire désirée. Ce point n'a quasiment pas été traité en non linéaire. Afin de résoudre ce problème, nous avons proposé une nouvelle modélisation du procédé dans laquelle la perturbation est une partie intrinsèque du modèle (grâce à la formulation lagrangienne). Cette méthode a permis d'obtenir plusieurs modèles : de simulation, d'analyse, de commande. Par la suite, nous avons développé une nouvelle technique permettant de contrôler le balourd pour obtenir une rotation soit autour de l'axe géométrique, soit de l'axe d'inertie pour réduire l'énergie consommée. La maîtrise proposée du balourd passe par l'association d'une commande dans un repère fixe et d'une autre dans un repère tournant à la vitesse du rotor. Ces deux commandes décrivent les accélérations nécessaires pour stabiliser le rotor. A partir de ces dernières, l'application d'une transformation non linéaire permet d'obtenir une commande réelle en courant ou en tension. Cette transformation fait appel, d'une part, à la linéarisation entrée-état associée à la passivité, d'autre part aux modes glissants. La dernière partie est consacrée aux simulations ainsi qu'aux essais réels obtenus sur un banc expérimental que nous avons mis en œuvre au cours de la thèse.

Ces dernières années, les paliers magnétiques sont de plus en plus exploités dans des applications diverses. Ils sont généralement utilisés dans des applications à très haute vitesse de rotation, dans lesquelles la minimisation des pertes est requise pour éviter la pollution d’un environnement sensible à la poussière ou à un lubrifiant pour supprimer les vibrations et pour limiter la maintenance. Cette thèse présente l’étude de deux configurations de centreurs magnétiques  centreurs magnétiques actifs et hybrides polarisés utilisés dans un système de stockage d’énergie de longue durée par volant d’inertie. Dans plusieurs applications utilisant les centreurs magnétiques, les pertes magnétiques sont généralement négligées. Dans une application de stockage d’énergie de longue durée, toute source de pertes doit être prise en compte lors du dimensionnement de ces derniers. Nous avons proposé une méthode de calcul de pertes dans les deux configurations de centreurs supportant un volant d’inertie soumis à une force radiale de balourd. Après comparaison il en est ressorti que le centreur magnétique hybride polarisé présente moins de pertes Joule que le centreur magnétique actif, tandis que les pertes magnétiques du centreur magnétique actif sont inférieures à celles des centreurs hybrides polarisés. Le temps de décharge du volant supporté par les centreurs actifs est très inférieur à celui du volant supporté par les centreurs hybrides polarisés. Pour une application de stockage de longue durée, l’utilisation des centreurs magnétiques polarisés selon notre étude semble la plus appropriée. De même, notre étude a montré que le stockage d’énergie par volant d’inertie favorise les hautes vitesses de rotation, et ce quelle que soit la configuration de centreur utilisée. En d’autres termes, le temps de décharge du volant augmente avec la vitesse maximale d’opération du volant. / Nowadays, magnetic bearings are increasingly used in diverse applications. They are generally used in high speed rotating systems where low losses are requested, to avoid dust or lubricant in sensitive environments, for vibration elimination and to limit maintenance. This thesis presents the study of two magnetic bearings configurations  radial active magnetic bearings and hybrid radial magnetic bearings used in a long term flywheel energy storage system. In several applications involving magnetic bearings, iron losses are usually neglected. In a long term energy storage application every single loss has to take into account when designing the latters. We have proposed a loss calculation method of two magnetic bearings configurations supporting a flywheel submitted to an unbalance radial force. After some comparisons it emerges that hybride radial magnetic bearings present lower copper losses than active radial magnetic bearings, while iron losses are lower in active magnetic bearings than in hybride magnetic bearings. The flywheel discharge time supported by radial active magnetic bearings is much lower than the one supported by hybrid radial magnetic bearings. According to our study, utilization of hybrid radial magnetic bearings in long term energy storage seems to be more appropriated. Likewise, our study has shown that no matter the configuration of magnetic bearing used, flywheel energy storage promote the high rotating speeds. In other words the discharge time increases with the flywheel’s maximum operating speed.

Le comportement dynamique des turbomachines industrielles doit respecter des critères émis par les normes internationales et les utilisateurs. Les rotors flexibles sont sensibles à la distribution de balourd, et sont soumis aux excitations aérodynamiques de leur environnement. Usuellement, les contrôleurs utilisés peinent à délivrer le niveau d’exigence demandé, par conséquent les propriétés mécaniques des paliers magnétiques sont fortement dépendantes de celles des rotors. L’objectif de ce mémoire est d’analyser le comportement dynamique des compresseurs centrifuges afin de proposer une stratégie de contrôle innovante. D’abord, chaque palier est considéré comme une entité a part entière en couplant ses deux axes d’action. Le comportement dynamique du rotor est exprimé dans le repère polaire. Par ailleurs, la logique floue, qui utilise un modèle de pensée proche du raisonnement humain, applique des actions correctives en fonction du comportement dynamique global du rotor. Ainsi, l’utilisation couplée de ces deux approches créé une synergie permettant d’agir sur le système de manière ciblée. Le contrôleur dissipe l’énergie cinétique du rotor lors du franchissement de vitesses critiques afin d’atténuer la réponse au balourd, ou augmente la raideur du palier lors de vibrations transitoires ou asynchrones afin de réduire la trajectoire du rotor. Le faible amortissement structurel du rotor le rend sensible au phénomène de « spillover » (l’énergie de contrôle affecte les modes de fréquence élevée). Or, la logique floue ne peut pas gérer ce phénomène. Ainsi, un contrôleur PID sous-jacent est utilisé pour maîtriser la stabilité des modes hautes fréquences. Au final, le contrôleur flou polaire permet d’obtenir des marges de performances entre les capacités de cet asservissement et le cahier des charges. Ces marges sont utilisées pour trois objectifs : le respect des spécifications, l’amélioration du comportement subsynchrone, et enfin la simplification et la standardisation du contrôleur sous-jacent nommé ici SPID. Ce contrôleur est tel que ses caractéristiques, dans la plage de fréquence utile, sont indépendantes du rotor pour une application donnée. Enfin, la stratégie développée est évaluée avec des simulations numériques et des essais expérimentaux. D’abord, le modèle numérique est validé, puis le contrôleur est appliqué à un banc d’essais académique. Le comportement est stable et robuste. Il présente des performances supérieures au PID augmenté fourni avec le banc, que ce soit pour la réponse au balourd, ou pour la réponse à des excitations subsynchrones. Finalement, la démarche est appliquée à un compresseur industriel. Les simulations montrent que le comportement est proche de celui exigé pour des machines sur paliers classiques. L’optimisation de l’approche et l’automatisation de la conception pourraient conduire à la standardisation des paliers magnétiques actifs. / The dynamic behaviour of large turbomachinery should satisfy stringent requirements dictated by international standards and final users. Their flexible rotor is sensitive to the unbalance distribution and subjected to particular excitations coming from the industrial process. Usually, the performance margins between the requirements and the classical controller capabilities are small. Consequently, the magnetic bearing characteristics depend on the rotor geometry. Designing such controllers is difficult and time consuming. The objective of this thesis is to investigate the dynamic behaviour of supercritical centrifugal compressors in order to propose a new control strategy. First, each bearing is considered as one entity by coupling its two axes of action. The introduction of polar quantities permits a better observation of the rotor dynamic behaviour. In addition, by using logic close to human being reasoning, the fuzzy logic modulates the action forces as a function of the global dynamic behaviour. The coupling of the two approaches is an efficient way to apply targeted corrective actions. This controller attenuates the unbalance vibration when crossing critical speeds by applying damping forces, or increases the stiffness during transient or asynchronous excitations in order to limit the maximum displacement reached. As their structural damping is low, flexible rotors are very sensitive to spillover effect, which cannot be managed by fuzzy controllers. Consequently, an underlying PID is necessary. This hand-synthesized controller has high frequency characteristics tuned in order to ensure stability and robustness for each rotor. Compared to a classical approach, the polar fuzzy controller enables to increase the performance margins. These margins are used to fulfil three objectives: the achievement of standards requirements, the improvement of the subsynchronous behaviour, and the simplification and the standardization of the PID controller that we called SPID. This SPID is designed for a given application, such that the bearing characteristics on the operating frequency range are always the same. The control strategy is assessed numerically and experimentally. First, the numerical model is validated with experimental tests. Then, the controller developed is applied to an academic test rig. The controller is stable and robust. It exhibits performance superior to the augmented PID supplied with the test rig for both unbalance response and response to subsynchronous excitations. Finally, the control of an industrial compressor is assessed numerically. The results obtained are close to the standards requirements used for classical bearings. The optimization of the approach and the utilization of an automatic tuning algorithm for high frequency characteristics could lead to the standardization of Active Magnetic Bearings.

L’estimation fonctionnelle basée sur les espaces de Hilbert à noyau reproduisant demeure un sujet de recherche actif pour l’identification des systèmes non linéaires. L'ordre du modèle croit avec le nombre de couples entrée-sortie, ce qui rend cette méthode inadéquate pour une identification en ligne. Le critère de cohérence est une méthode de parcimonie pour contrôler l’ordre du modèle. Le modèle est donc défini à partir d'un dictionnaire de faible taille qui est formé par les fonctions noyau les plus pertinentes.Une fonction noyau introduite dans le dictionnaire y demeure même si la non-stationnarité du système rend sa contribution faible dans l'estimation de la sortie courante. Il apparaît alors opportun d'adapter les éléments du dictionnaire pour réduire l'erreur quadratique instantanée et/ou mieux contrôler l'ordre du modèle.La première partie traite le sujet des algorithmes adaptatifs utilisant le critère de cohérence. L'adaptation des éléments du dictionnaire en utilisant une méthode de gradient stochastique est abordée pour deux familles de fonctions noyau. Cette partie a un autre objectif qui est la dérivation des algorithmes adaptatifs utilisant le critère de cohérence pour identifier des modèles à sorties multiples.La deuxième partie introduit d'une manière abrégée le palier magnétique actif (PMA). La proposition de contrôler un PMA par un algorithme adaptatif à noyau est présentée pour remplacer une méthode utilisant les réseaux de neurones à couches multiples / Function approximation methods based on reproducing kernel Hilbert spaces are of great importance in kernel-based regression. However, the order of the model is equal to the number of observations, which makes this method inappropriate for online identification. To overcome this drawback, many sparsification methods have been proposed to control the order of the model. The coherence criterion is one of these sparsification methods. It has been shown possible to select a subset of the most relevant passed input vectors to form a dictionary to identify the model.A kernel function, once introduced into the dictionary, remains unchanged even if the non-stationarity of the system makes it less influent in estimating the output of the model. This observation leads to the idea of adapting the elements of the dictionary to obtain an improved one with an objective to minimize the resulting instantaneous mean square error and/or to control the order of the model.The first part deals with adaptive algorithms using the coherence criterion. The adaptation of the elements of the dictionary using a stochastic gradient method is presented for two types of kernel functions. Another topic is covered in this part which is the implementation of adaptive algorithms using the coherence criterion to identify Multiple-Outputs models.The second part introduces briefly the active magnetic bearing (AMB). A proposed method to control an AMB by an adaptive algorithm using kernel methods is presented to replace an existing method using neural networks