Les récents progrès en microélectronique ainsi qu'en récupération d'énergie ambiante permettent désormais d'envisager la conception de “systèmes intelligents” auto-alimentés.<br />L'objectif des travaux présentés est triple. Tout d'abord il s'agit de développer des techniques de contrôle vibratoire limitant la fatigue des matériaux et répondant aux contraintes énergétiques des systèmes embarqués.<br />Ensuite de nouvelles méthodes améliorant la récupération d'énergie ambiante sont exposées. Reposant sur un traitement non linéaire, ces techniques permettent un gain important en termes de puissance de sortie.<br />Enfin, des techniques de contrôle de santé structurale nécessitant une énergie très faible sont présentées, permettant ainsi le suivi à moindre coût de l'évolution de la structure.<br />Ces trois points seront finalement combinés, démontrant ainsi la faisabilité de contrôle de santé structurale totalement auto-alimenté. Cette dernière partie a été effectuée dans le cadre du projet européen ADVICE.

L'amortissement de vibrations mécaniques trouve de nombreuses applications dans le domaine du contrôle acoustique ou de la réduction de contraintes dans l'industrie (machine outil), le génie civil (structure autoportée), ou encore l'aéronautique (réduction de contrainte lors des manoeuvres). Les recherches actuelles tendent principalement vers des méthodes utilisant des matériaux piézoélectriques collés à la surface des structures à traiter. Une technique prometteuse, développée au LGEF à l'INSA de Lyon, est l'amortissement de vibration d'une structure mécanique par méthode SSDI (pour Synchronized Switch Damping on an Inductor). Cette technique d'amortissement semi-active exploite un procédé non-linéaire de traitement de la tension aux bornes d'un élément piézoélectrique, capteur et actionneur à la fois. L'objectif de ce travail est de réaliser l'intégration de l'électronique de traitement de la tension aux bornes des éléments piézoélectriques en technologie microélectronique, afin de pouvoir l'embarquer sur le patch piézoélectrique à terme. Une analyse des techniques d'amortissement publiées permet d'y situer ce travail et de définir les points clés de la technique SSDI. Au deuxième chapitre, un certain nombre de modèles sont développés pour comparer et guider les choix de conception, et pour aboutir à des arbitrages architecturaux. Le troisième chapitre développe la conception d'un ASIC dans une technologie avec option haute tension, comprenant une fonction haute-tension de traitement du signal piézoélectrique et une chaine basse-tension d'analyse, de décision et de commande. La première réalise l'inversion de la tension piézoélectrique à l'aide d'un circuit RLC passif de conversion de l'énergie. La seconde s'attache à la détection des extremums de manière à optimiser l'amortissement. Un diviseur de tension auto-adaptatif avec protection contre les surtensions ainsi qu'un détecteur de pic de tension permettent de réaliser cette opération. Ces fonctions sont caractérisées en simulations et mesures. Le fonctionnement de l'ASIC est ensuite testé sur une structure mécanique, et les performances sont décrites et interprétées au chapitre 4. Le comportement multi-mode et la grande dynamique des signaux mécaniques traités sont des avancées par rapport à la bibliographie.

Les systèmes de rafraîchissement d'air basés sur des échangeur-stockeurs composés de Matériaux à Changement de Phase (MCP) sont une alternative possible aux systèmes de climatisation pour le confort d'été dans les bâtiments. Toutefois, les performances de tels systèmes de rafraîchissement sont étroitement liées aux conditions climatiques et aux configurations des bâtiments à rafraîchir. L'objectif de ce travail de thèse est de développer un outil d'aide à la conception permettant un pré-dimensionnement optimal de systèmes de rafraîchissement d'air utilisant des MCP dès le stade de la conception préliminaire. Un modèle thermique dynamique simulant le comportement d'un échangeur-stockeur air/MCP est donc développé puis couplé à une plateforme logicielle de simulation thermique dynamique du bâtiment. Les modèles d'échangeur-stockeurs et de co-simulation sont validés à l'aide d'expériences menées sur deux prototypes d'échangeur-stockeur et la plateforme expérimentale de maison à énergie positive NAPEVOMO. Enfin un premier outil d'aide à la conception utilisant un algorithme d'optimisation est développé pour définir une configuration optimale de système maintenant le confort estival dans la maison NAPEVOMO. / Air-cooling systems using latent heat thermal energy storage (LHTES) are potential alternatives to air-conditioners for summer climate control in buildings. However, the performances of such systems are tightly linked to weather conditions and the configuration of the building to be cooled. The aim of this doctoral work is to develop a design support tool allowing optimally dimensioning an air-cooling system using phase change material at the preliminary design stage. A dynamic thermal model, simulating the behaviour an LHTES device exchanging with air, is developed and coupled with a building performance program. The LHTES and the co-simulation models are validated by comparison with experiments carried out on two prototypes of LHTES device and the experimental platform of zero energy building NAPEVOMO. Finally, a first design support tool using genetic algorithm is developed to define the optimal configuration of an air-cooling system for the summer comfort in « NAPEVOMO » house.

Les matériaux évolués tels que les matériaux composites ou les fibres de carbone sont de plus en plus utilisés dans l'industrie. Ils rendent les structures plus légères et plus résistantes mais en contrepartie, ils apportent de nouveaux problèmes de vibration. De nombreuses recherches sont ainsi en cours pour apporter des solutions afin d'éliminer les vibrations indésirables tout en restant compactes, légères, intelligentes et modulaires. Récemment, des techniques de contrôle non linéaires, dénommées en anglais S.S.D. (Synchronized Switch Damping) ont été proposées et validées. Ces méthodes font commutées un élément piézoélectrique collé à la structure mécanique à amortir sur un circuit électrique de manière synchronisée avec la déformation de celle-ci. Un effet amortissant peut ainsi être obtenu en utilisant l'énergie de vibration de la structure mécanique elle-même. Basée sur ces concepts, une nouvelle technique appelée S.S.D.E.T. (Synchronized Switch Damping with Energy Transfer) est proposée dans ce manuscrit. Cette méthode permet d'amortir une vibration en utilisant de l'énergie extraite à partir d'autres vibrations. Les résultats de ce travail de thèse sont présentés de la manière suivante. Premièrement, le principe et les lois de commande de la technique S.S.D.E.T. sont introduits. Ainsi, un modèle mathématique est établi et permet de vérifier les concepts proposés par simulation. Ensuite, des validations expérimentales menées sur différentes configurations sont décrites et démontrent l'augmentation de l'amortissement sur un système composé de deux structures mécaniquement indépendantes, sur un système composé d'une seule structure qui vibre selon plusieurs modes et sur une combinaison des deux précédents. Enfin, une extension de la technique S.S.D.E.T. est introduite dans un cadre d'échange d'énergie bidirectionnel. Celle-ci permet d'obtenir un amortissement privilégié sur un mode tout en conservant un contrôle correct des autres modes. / Advanced materials such as carbon fiber, composite materials et al. are more and more used in modern industry. They make the structures lighter and stiffer. However, they bring vibration problems. Researchers studied numerous methods to eliminate the undesirable vibrations. These treatments are expected to be a compact, light, intellectual and modular system. Recently, a nonlinear technique which is known as Synchronized Switch Damping (SSD) technique was proposed. These techniques synchronously switched when structure got to its displacement extremes that leading to a nonlinear voltage on the piezoelectric elements. This resulting voltage showed a time lag with the piezoelectric strain thus causing energy dissipation. Based on the developed SSD techniques, a new synchronized switch damping e.g. Synchronized Switch Damping with Energy Transfer (SSDET) was proposed in this document. This method damped the vibration by using the energy from other vibrating form. The objectives of the work reported in this document were threefold. The first one consisted of introduction of SSDET principle and developing its control law. This part aimed at establishing the mathematical model and verifying the proposed method by mathematical tools. Then, the experimental validations were carried out. Three experiments with different configurations demonstrated that SSDET can be implemented not only between structures but also vibrating modes in one structure. A SSDET scheme with multi-patches was also investigated for improving the damping. Finally, a bidirectional SSDET concept was introduced based on the original SSDET technique. This technique be regarded as a multimode control SSDET. Since it privileged the target vibration while keeps a decent control effect on the source vibration.

L’amortissement de vibrations mécaniques trouve de nombreuses applications dans le domaine du contrôle acoustique ou de la réduction de contraintes dans l’industrie (machine outil), le génie civil (structure autoportée), ou encore l’aéronautique (réduction de contrainte lors des manoeuvres). Les recherches actuelles tendent principalement vers des méthodes utilisant des matériaux piézoélectriques collés à la surface des structures à traiter. Une technique prometteuse, développée au LGEF à l’INSA de Lyon, est l’amortissement de vibration d’une structure mécanique par méthode SSDI (pour Synchronized Switch Damping on an Inductor). Cette technique d’amortissement semi-active exploite un procédé non-linéaire de traitement de la tension aux bornes d’un élément piézoélectrique, capteur et actionneur à la fois. L’objectif de ce travail est de réaliser l’intégration de l’électronique de traitement de la tension aux bornes des éléments piézoélectriques en technologie microélectronique, afin de pouvoir l’embarquer sur le patch piézoélectrique à terme. Une analyse des techniques d’amortissement publiées permet d’y situer ce travail et de définir les points clés de la technique SSDI. Au deuxième chapitre, un certain nombre de modèles sont développés pour comparer et guider les choix de conception, et pour aboutir à des arbitrages architecturaux. Le troisième chapitre développe la conception d’un ASIC dans une technologie avec option haute tension, comprenant une fonction haute-tension de traitement du signal piézoélectrique et une chaine basse-tension d’analyse, de décision et de commande. La première réalise l’inversion de la tension piézoélectrique à l’aide d’un circuit RLC passif de conversion de l’énergie. La seconde s’attache à la détection des extremums de manière à optimiser l’amortissement. Un diviseur de tension auto-adaptatif avec protection contre les surtensions ainsi qu’un détecteur de pic de tension permettent de réaliser cette opération. Ces fonctions sont caractérisées en simulations et mesures. Le fonctionnement de l’ASIC est ensuite testé sur une structure mécanique, et les performances sont décrites et interprétées au chapitre 4. Le comportement multi-mode et la grande dynamique des signaux mécaniques traités sont des avancées par rapport à la bibliographie. / Mechanical vibration damping has many applications in industry (machine tools), civil engineering (bridge construction), or aeronautics (stress during maneuvers). Current research tends mainly to use piezoelectric materials based methods. A promising technique from the LGEF of INSA Lyon is the vibration damping of mechanical structure by so-called SSDI method (for Synchronized Switch Damping on an Inductor). This semi-active damping technique uses a non-linear process to invert the voltage across a piezoelectric element. The element is used as sensor and actuator at a time. The aim of this work is to achieve an integration of the electronic process with the SSDI voltage inversion in a microelectronic technology. It has ultimately to embed the electronic controller on the piezoelectric patch. The analysis of published damping techniques can situate this work and identify key points of the SSDI technique. In the second chapter, several models are developed to compare and decide of the best architectural design choice. The third chapter presents an ASIC design in a technology with high voltage option. The ASIC consists of a high-voltage piezoelectric signal processing part and a low-voltage control part. The first function performs piezoelectric voltage reversing by mean of a passive RLC energy conversion circuit. The second function focuses on the extremum voltage detection circuit in order to optimize damping efficiency. A self-tuning voltage divider with over-voltage protection and a peak voltage detector can perform this operation. These functions are characterized by simulations and measurements. The ASIC operation is then tested with mechanical structures, and damping performances are described and interpreted in Chapter 4. The multimodal behavior and the mechanical signals high-dynamic are new contribution as regard in the bibliography.