Cette thèse est une contribution à une démarche globale de conception rationnelle des systèmes d'assemblage. Elle concerne plus précisément le problème de génération des graphes de précédence, en vue de leur utilisation par les méthodes d'équilibrage des systèmes d'assemblage. Le premier chapitre de ce travail est consacré à la description de la problématique des systèmes d'assemblage. Le deuxième chapitre présente un état de l'art des approches de génération des graphes de précédence pour l'assemblage. Les propriétés de ceux-ci sont listées et comparées à celles des autres modèles des processus d'assemblage. L'objectif du troisième chapitre est l'élaboration d'une méthode systématique d'obtention des graphes de précédence à partir d'un ensemble de gammes d'assemblage. Dans ce but, deux algorithmes sont proposés. Ils sont basés sur la vérification d'une propriété structurelle – la propriété ? – qui est nécessaire et suffisante pour assurer l'équivalence d'un ensemble de gammes à un seul graphe de précédence. Un état de l'art des méthodes de conception des systèmes d'assemblage issues de l'équilibrage des lignes d'assemblage est présenté dans le quatrième chapitre. Le problème d'équilibrage consiste à trouver l'affectation des tâches aux postes, telle qu'elle assure la minimisation du temps de cycle total. Une approche systémique est proposée par la formulation de ce problème comme problème d'optimisation discrète, en vue de la résolution par la programmation dynamique. Le dernier chapitre est dédié à l'analyse des systèmes d'assemblage avec auto-équilibrage, dont la conception évite la résolution d'un problème d'équilibrage classique. Il est suffisant qu'un tel système satisfasse une contrainte technologique simple de placement des opérateurs (humains) sur la ligne – du plus lent au plus rapide – pour qu'il atteigne spontanément un comportement optimal du point de vue de l'équilibrage. Une analyse par simulation de tels systèmes est présentée. Ils peuvent être traités comme systèmes dynamiques hybrides à commutations et sauts autonomes. La condition suffisante de l'autoéquilibrage – le "bon ordre" – est démontrée en utilisant les critères de stabilité des systèmes dynamiques discrets.

Dans de nombreuses applications modernes, l'interaction de plus en plus importante entre les systèmes numériques (ordinateurs, logiciels, composants logiques, etc.) et les processus physiques (relations entre signaux continus) a conduit, en Automatique, à l'émergence et à la formalisation des systèmes dits hybrides. Formellement, les systèmes hybrides peuvent être définis comme des systèmes mixtes où interagissent des phénomènes de nature à la fois continue et événementielle. L'analyse et la conduite de tels systèmes comme de tout autre type de système dynamique nécessitent bien souvent que l'on dispose d'un modèle mathématique de ces systèmes. Ainsi, nous nous intéressons dans ce travail, à l'identification de systèmes hybrides linéaires à partir de mesures entrée-sortie. Après avoir fait le point sur les méthodes disponibles dans la littérature récente en relation avec ce sujet, nous mettons en évidence la nécessité de développer des méthodes d'identification de systèmes hybrides multivariables dans le contexte très délicat où ni le nombre de sous-modèles constitutifs du système hybride, ni les ordres de ces sous-modèles, ni leurs paramètres ne sont connus a priori. Nous considérons d'abord des modèles d'état à commutations. Pour estimer ces modèles par les méthodes des sous-espaces, il est indispensable de contrôler dans l'espace d'état, les bases de représentation des matrices de paramètres associées aux différents sous-modèles à estimer. Cela nous a conduit au développement de nouvelles techniques d'identification structurée de modèles linéaires d'état qui possèdent cette propriété. Nous généralisons ensuite les techniques ainsi développées à l'identification de systèmes multivariables commutants, représentés par des modèles d'état. Cependant, dans le cas général, l'identification de modèles d'état hybrides est limitée par de sévères problèmes de complexité numérique. De ce fait, nous étudions le cas particulier où les instants de commutation sont séparés par un certain temps de séjour minimum dans les différents modes du système. Afin de nous affranchir de cette contrainte, nous investiguons l'identification de modèles MIMO commutants de type Auto-Regressif à entrée eXogène (ARX). Nous généralisons alors la méthode algébro-géométrique (GPCA) à l'identification de systèmes multivariables, discutons quelques problèmes de complexité numérique et suggérons des alternatives. La dernière partie du travail est consacrée à la validation de nos méthodes sur des exemples de simulation ainsi que sur un procédé de montage automatique de composants électroniques sur circuit imprimé.

Ce mémoire est dédié à l'étude de la stabilité des systèmes non linéaires à commutation, systèmes qui peuvent être considérés comme une abstraction de haut niveau d'un système hybride, dans lequel la dynamique discrète est complètement omise. Ce problème est abordé de manières différentes : la stabilité conditionnelle par contrôle des commutations, la stabilisation uniforme et la commande sans modèle. Après une large introduction, le second chapitre se focalise sur la construction d'une séquence de commutation qui assure la stabilité du système. Cette approche repose sur la réécriture du système non linéaire par une représentation polytopique, utilisée pour dégager des conditions suffisantes en termes d'inégalités matricielles. Dans le troisième chapitre, la stabilisation uniforme est abordée. Une condition nécessaire et suffisante y est dégagée, construite sur la notion nouvelle de fonction de Lyapunov contrôlée commune. Dans le quatrième chapitre, un modèle formel est introduit pour représenter uniquement l'ensemble des scénarios admissibles par la physique du système. Pour ce faire, un réseau de Petri temporel est utilisé, permettant ainsi par son analyse la caractérisation de l'ensemble des scénarios admissibles. Divers concepts de stabilité sont par suite appliqués au modèle résultant. Un dernier chapitre propose une approche originale des systèmes à commutation, par une commande sans modèle de ces derniers, c'est-à-dire sans en connaître la dynamique des différents modes. L'algorithme proposé est basé sur des méthodes algébriques d'estimations rapides de dérivées et de paramètres, assurant ainsi une stabilité pratique si les commutations ne sont pas trop rapides.

Notre travail de recherche concerne l'étude du diagnostic à base de modèles pour les systèmes temporisés et pour une sous-classe de systèmes dynamiques hybrides. Nous avons d'abord développé une méthode de diagnostic basée sur la compilation hors-ligne d'un diagnostiqueur à partir du modèle automate temporisé du système à diagnostiquer. Une méthode systématique permettant la vérification de la diagnosticabilité du modèle utilisé est ensuite donnée. Nous avons ensuite proposé une méthode de diagnostic pour une sous-classe de systèmes dynamiques hybrides modélisés par des automates hybrides rectangulaires. Cette méthode repose sur l'utilisation d'une procédure de diagnostic en-ligne qui estime l'état courant du système ainsi que les occurrences des défauts non-observables. Enfin, nous avons proposé une méthode de vérification de la diagnosticabilité du langage temporisé accepté par un automate hybride rectangulaire vérifiant les hypothèses considérées dans notre travail.

Le nombre croissant des systèmes électroniques embarqués dans le secteur automobile a considérablement amélioré et diversifié les services rendus par le véhicule. Ces systèmes sont appelés systèmes mécatroniques. Ils intègrent une partie énergétique (mécanique, hydraulique ou électrique) commandée et contrôlée par un calculateur. Leur principal atout est la flexibilité logicielle dont dispose le concepteur pour implémenter de nouvelles fonctions. Toutefois, ceci a contribué à accroître leur complexité et à en diminuer la maîtrise, d'où la nécessité d'effectuer des études de Sûreté de Fonctionnement afin de garantir un bon niveau de sécurité. Par ailleurs, mener de telles études dès la phase de conception permet de diminuer les délais et les coûts de conception en détectant et en corrigeant au plus tôt les erreurs de conception. Actuellement, les études de sécurité prévisionnelle des systèmes automobiles sont réalisées par la méthode des Arbres de Défaillance. Or cette méthode est statique et ne permet pas de prendre en compte les phénomènes temporels liés à leur dynamique de fonctionnement et à leur aspect hybride. C'est dans ce contexte que des recherches sont menées en collaboration entre le groupe PSA Peugeot Citroën et le LAAS visant à développer une méthodologie d'aide à la conception de systèmes mécatroniques sûrs de fonctionnement. Mon projet de thèse se focalise sur l'analyse qualitative de la sécurité des systèmes mécatroniques en vue de l'obtention des scénarios redoutés. La connaissance de ces scénarios permet d'évaluer leurs probabilités d'occurrence et de valider les lois de reconfiguration pour orienter le choix des concepteurs quant aux différents types d'architectures possibles proposés pour le système. Nous avons développé une méthode de recherche des scénarios redoutés basée sur la modélisation préalable d'un système mécatronique sous la forme d'un Réseau de Petri et d'un ensemble d'équations différentielles. Cette modélisation hybride présente l'avantage de séparer clairement les aspects discrets et continus. Ceci nous permet une analyse logique (fondée sur la logique Linéaire) des causalités résultant des changements d'états. Grâce à cette analyse, il est possible à partir d'un état redouté de remonter les chaînes de causalité et de mettre ainsi en évidence tous les scénarios possibles conduisant à une situation critique. Chaque scénario est donné sous la forme d'un ordre partiel entre les événements nécessaires à l'apparition de l'état redouté. L'originalité de notre approche est qu'elle n'implique pas une énumération brutale et globale de tous les états accessibles du système. Au contraire elle permet de se focaliser sur le voisinage de l'état redouté en faisant une énumération locale d'états partiels. Autrement dit, nous ne considérons que les états des composants directement impliqués dans l'apparition de l'état redouté. Nous avons enfin élaboré un algorithme automatisant la recherche des scénarios redoutés et nous l'avons appliqué sur deux exemples simples de systèmes mécatroniques.

La surveillance en-ligne d'un système industriel a pour objectifs de détecter tout dysfonctionnement du procédé, de localiser le ou les éléments défaillants et de déterminer la ou les causes de défaillances. Ces informations sur l'état du système peuvent alors être transmises aux opérateurs qui peuvent agir en conséquence et/ou être utilisées pour modifier, reconfigurer la commande voire le système lui-même ou sa mission. Dans ce mémoire, je présente une synthèse scientifique de mes contributions dans ce vaste domaine de recherche. <br />Toutes les méthodes de surveillance reposent sur la redondance d'information disponible sur le système. L'approche dite « à base de modèle » consiste à vérifier la cohérence des mesures effectuées en-ligne sur l'installation avec un modèle comportemental de celle-ci sous certaines hypothèses de fonctionnement. La première étape consiste à générer un ensemble de signaux indicateurs appelés communément « résidus ». Deux catégories de méthodes sont classiquement utilisées pour générer ces résidus : la méthode à base de Relations de Redondance Analytique et les méthodes à base d'observateurs. Ces méthodes, qui ont été récemment étendues au cas des modèles non-linéaires, présentent chacune des avantages et des inconvénients suivant le type de système (de modèle) considéré et les contraintes imposées pour l'implémentation des algorithmes. Ces travaux, initialement destinés à la surveillance des systèmes continus (ou discrétisés) ont été récemment adaptés et complétés pour traiter le problème de la surveillance des Systèmes Dynamiques Hybrides. Lorsque le système considéré est complexe, c'est à dire lorsque les éléments physiques ou composants qui le constituent sont nombreux, un pré-traitement structurel du modèle peut permettre de déterminer les conditions nécessaires de « surveillabilité » du système. L'analyse structurelle est un outil puissant qui ne nécessite pas la connaissance explicite des équations du modèle. Elle permet cependant de déterminer les sous-systèmes sur lesquels des algorithmes plus sophistiqués de surveillance peuvent être implantés.<br />La surveillance n'est qu'un module d'un processus complet permettant à une installation de fonctionner en respectant des critères de sécurité, de productivité et de qualité même en présence de défaillance. La commande du système peut être conçue de manière à utiliser les informations fournies par le module de surveillance. On parle alors de « commande tolérante aux défaillances »<br />Une réflexion sur les perspectives de recherche est exposée tout au long du manuscrit suivant le thème traité. Ces perspectives sont complétées à la fin du document par quelques orientations de recherche plus générales.

Cette thèse porte sur le calcul d'une sur-approximation conservative pour les solutions d'équations différentielles ordinaires en présence d'incertitudes et sur son application à l'estimation et l'analyse de systèmes dynamiques à temps continu. L'avantage principal des méthodes et des algorithmes de calculs présentés dans cette thèse est qu'ils apportent une preuve numérique de résultats. Cette thèse est organisée en deux parties. La première partie est consacrée aux outils mathématiques et aux méthodes d'intégration numérique garantie des équations diff érentielles incertaines. Ces méthodes permettent de caractériser de manière garantie l'ensemble des trajectoires d'état engendrées par un système dynamique incertain dont les incertitudes sont naturellement représentées par des intervalles bornés. Dans cette optique, nous avons développé une méthode d'intégration hybride qui donne de meilleurs résultats que les méthodes d'intégration basées sur les modèles de Taylor intervalles. La seconde partie aborde les problèmes de l'identification et de l'observation dans un contexte à erreurs bornées ainsi que le problème d'atteignabilité continue pour la véri cation de propriétés des systèmes dynamiques hybrides.

Ce document retrace mes activités d'enseignement effectuées depuis ma nomination à l'Institut National des Sciences Appliquées (INSA) de Lyon comme Maître de Conférences ainsi que mes activités de recherche menées au sein du Centre de Génie Electrique de Lyon (CEGELY), UMR CNRS 5005, devenu le Laboratoire Ampère depuis janvier 2007.<br /><br />La première partie dresse un bilan de mon parcours professionnel, de mes activités de recherche, de mes activités d'encadrement, de ma participation à l'administration et de mes activités d'enseignement.<br /><br />La seconde partie est consacrée à une présentation thématique des travaux menés dans les trois axes de recherche suivants : la commande pour des entraînements électriques, la commande des systèmes dynamiques hybrides et la commande des convertisseurs de puissance à découpage.<br /><br />Ma contribution scientifique à travers des publications et des communications sera listée dans la troisième partie.

Les travaux décrits dans le mémoire concernent la modélisation, l'analyse et la commande de systèmes dynamiques à caractère le plus souvent hétérogène, à partir d'approches privilégiant les formes de représentation de connaissance. Ils se caractérisent à la fois par un souci de généricité dans les démarches méthodologiques, et par une grande diversité d'objets. Le volet modélisation s'appuie essentiellement sur le choix de l'outil bond graph, qui permet une approche unifiée de l'hétérogénéité physique basée sur le point de vue de l'énergie. Cet outil est d'abord utilisé à des fins de modélisation pure dans des domaines variés allant de la mécatronique au vivant (physiologie cardiovasculaire) en passant par l'électronique de puissance (convertisseurs statiques). L'apport majeur des travaux dans ces domaines consiste en un élargissement du champ de validité de l'approche bond graph à de nouvelles classes de systèmes complexes, avec pour chacune d'entre elles la recherche de démarches de synthèse systématiques. Les principales formes de complexité abordées partagent pour la plupart un caractère hybride, ce qualificatif étant compris dans une acception large qui recouvre trois aspects différents : le couplage entre plusieurs domaines de la physique (pluridisciplinarité), entre des paramètres localisés et répartis (hybridisme spatial), entre des dynamiques continues et des événements discrets (hybridisme temporel, notion de commutation). Dans le prolongement logique de ce premier volet d'activités, une partie importante des travaux concerne l'analyse formelle de modèles bond graphs, à travers l'extension de méthodologies existantes et le développement de nouvelles approches. Une première catégorie de méthodologies étudiées vise à générer, à partir de modèles en bond graph, d'autres types de représentations dynamiques telles que des formes d'état dans le domaine temporel ou des fonctions de transfert dans le domaine symbolique, avec en particulier l'enjeu d'expliciter des modèles initialement implicites, pour faciliter leur simulation et rendre possible l'utilisation de solveurs standards. Une deuxième catégorie de méthodes d'analyse vise directement à exploiter les modèles bond graphs afin de mettre en évidence certaines propriétés structurelles des systèmes dynamiques qu'ils représentent (telles que la platitude différentielle). À l'intérieur de ce volet consacré à l'analyse formelle, une place centrale est accordée à la thématique des systèmes à commutations, qui inscrit les travaux correspondants dans l'axe des systèmes dynamiques hybrides (au sens temporel) propre à l'équipe ASH. Le troisième et dernier grand volet des activités de recherche présentées est consacré à la commande. Il vient à son tour en complément naturel des deux précédents, mais fait l'objet de développements théoriques décorrélés du bond graph, étant essentiellement abordé à travers une approche fondée sur le concept non linéaire de mode glissant. La commande par mode glissant, principe bien connu et largement mis en œuvre dans de nombreuses applications, y est envisagée dans le contexte spécifique des systèmes à entrées logiques (dont les systèmes à commutations sont un cas particulier). De nouvelles stratégies de commande par mode glissant à valeurs binaires sont développées, qui rendent ces lois directement applicables aux systèmes à entrées logiques, au lieu d'être approchées en moyenne par le biais d'une modulation de largeur d'impulsion (MLI).

Cette thèse apporte quatre principales contributions : une méthode d'éliminateur de phénomènes de ''chattering'' d'automates hybrides, par calcul d'une dynamique régulière équivalente à l'aide d'une convexification de Filippov ; une méthode d'accélération de la simulation de certains comportements Zénon, dits géométriques, pour certains automates hybrides ; des preuves de préservation par les méthodes ci-dessus d'une sémantique des automates hybrides à base d'analyse non-standard ; développement de trois logiciels prototypes, l'un sous la forme d'une bibliothèque Simulink, le second sous la forme d'un environnement de simulation de composants FMI, et le troisième étant une implémentation de la méthode de régularisation dans le langage de modélisation de systèmes hybrides Acumen. / This thesis deals with Zeno behavior of hybrid systems, and it has four main contributions : a method of eliminating "chattering" phenomena of hybrid automata, by computing an equivalent dynamics using a new convexification approach ; a method for accelerating the simulation of geometric-Zeno behavior in which the solution converges to a Zeno limit point according to a geometric series ; a proof of preservation by the above methods of a semantics of hybrid automata based on non-standard analysis ; a development of three prototype software, one in the form of a Simulink library, the other in the form of an FMI simulation environment, and the third being an implementation of the regularization method in the Modeling and simulation tool Acumen.