Les conducteurs des véhicules à deux-roues motorisés (V2RM) sont parmi les usagers les plus vulnérables sur les routes. En France, les V2RMs ne constituent que 1.9% du trafic routier, mais ils sont impliqués dans 24% des accidents mortels. Le manque des systèmes d’aide à la conduite (Intelligent Transportation System, ITS) est pointé du doigt parmi les principales causes de ces chiffres alarmants. En effet, la complexité de la dynamique des V2RMs ainsi que l’inaccessibilité à certains états (comme l’angle du roulis, le couple de direction et les forces pneumatiques) rendent le déploiement des systèmes ITS très difficile et constituent un frein quant à leur développement. Dans ce contexte, mon travail de thèse vise l’estimation des dynamiques pertinentes des V2RMs. Premièrement, un observateur de type Takagi-Sugeno (TS) est proposé pour l’estimation de la dynamique latérale avec un découplage du couple de direction qui est considéré comme une entrée inconnue (UI). Ensuite, afin d’estimer le couple de direction, un autre observateur TS est proposé. L’observateur en question possède une loi d’adaptation proportionnelle-dérivée (PD) afin de reconstruire l’UI. Cependant, dans les deux observateurs précédents, les non-linéarités associées aux forces pneumatiques latérales sont négligées. Pour contourner cette difficulté, les forces latérales sont considérées comme des entrées inconnues et sont estimées de manière algébrique en utilisant les observateurs par mode-glissant d’ordre supérieur. Enfin, nous nous sommes attelés à la dynamique longitudinale et proposé un observateur à entrées inconnues avec une loi d’adaptation PD afin d’estimer les forces longitudinales et les couples d’accélération et de freinage. Une fois les dynamiques latérales et longitudinales des V2RMs estimées, nous nous sommes attaqués à la commande du système de freinage. Dans ce contexte, un contrôleur robuste est proposé afin d’optimiser le freinage des V2RMs. Le contrôleur est basé sur les techniques par mode-glissant et permet d’asservir le glissement longitudinal vers un glissement de référence. Ce dernier est calculé grâce à un programme inspiré des algorithmes MPPT. Enfin, afin de valider les différents observateurs proposés, une commande basée observateur utilisant les techniques TS a été proposée dans afin d’automatiser un scooter instrumenté et assurer le suivi d’un roulis de référence. / Riders of Powered two-wheeled vehicles (P2WV) are among the most vulnerable drivers on roads. In France, riders of P2WVs are just 1.9% of road traffic, but account for 24% of road user deaths. This high rate of mortality may be explained by several factors. One of them is the lack of specific Intelligent Transportation System (ITS). In fact, because of the complexity of the P2WVs dynamics and the unavailability of some states (such as the steering torque, the roll angle and the lateral forces), it is more difficult to design specific ITS systems for P2WVs. In this context, my thesis aims the estimation of relevant dynamics of P2WVs. Firstly, a Takagi-Sugeno (TS) observer is proposed to estimate the lateral dynamics. The observer completely decouples the steering torque - which is considered as an unknown input (UI) - from the estimation error dynamics. Then, to estimate the lateral dynamics and the steering torque, another TS observer is proposed. The observer in question has a proportional derivative (PD) adaptation law to reconstruct the UI. However, in both observers, nonlinearities with respect to tire forces are neglected. To circumvent this difficulty, lateral forces are considered as UIs and they are algebraically estimated thanks to high order sliding mode observers. Finally, we focus on the longitudinal dynamics and propose an UI observer with a PD adaptation law to estimate the longitudinal forces and the thrust and braking torques. Once the lateral and longitudinal dynamics estimated, we were interested by the control of the braking system. In this context, a robust controller is proposed in order to optimize the braking for P2WVs. The controller is based on sliding mode techniques and allows the tracking of the longitudinal slip to a reference one. The latter is computed through a program inspired by MPPT algorithms. Finally, to validate the several observers developed in my thesis, an observer based controller using TS techniques is proposed in order to stabilize and automate an instrumented scooter and to track a reference roll angle.

Le travail entrepris dans cette thèse se place dans le contexte de l'étude et d'analyse du véhicule léger. L'objectif principal porte sur la synthèse d'observateurs pour l'estimation de la dynamique latérale du véhicule ainsi que les attributs de la route. Une application à la détection de situations de conduite critiques est ensuite élaborée dans le but de développer un système d'aide à la conduite préventif contre les sorties de voie. Dans un premier temps, l'objectif est dédié à la représentation de la dynamique latérale du véhicule d'un point de vue non linéaire via le formalisme polytopique Takagui-Sugeno (TS). Une transformation exacte est élaborée afin de garantir l'exactitude de la représentation en prenant en considération les variations non linéaires des caractéristiques des efforts de contact pneumatique-chaussée traduisant leurs évolution dans les zones de pseudo glissement ou de glissement total, avec des paramètres variables dans le temps. Cela est dans le but de représenter fidèlement le comportement du véhicule tout en disposant d'une expression mathématique exploitable par rapport aux outils d'analyse.Le modèle TS exacte obtenu est validé par des tests de simulation et d'essais réalisés avec des données réelles obtenues à partir d'un véhicule prototype. Dans un second temps, des observateurs basés sur le modèle TS développé sont proposés pour la reconstruction des états de la dynamique latérale du véhicule ainsi que l'estimation des attributs de la route (vitesse latérale, dérive latérale, efforts latéraux de contact pneumatique-chaussée, courbure de la route, coefficient d'adhérence). Pour cela, différentes stratégies d'estimations et d'analyse de stabilité ont été utilisées. Ces stratégies, de représentation et d'estimation, ont été également validées par des tests de simulation ainsi que par des données issues de tests réels dont les résultats sont satisfaisants. La détection de situations critiques est ensuite abordée, basée sur les estimations obtenues avec les différents observateurs et stratégies d'estimation proposés. L'objectif étant de fournir au conducteur une information sur l'état de sa conduite et la dynamique du véhicule suffisamment à temps pour éviter une sortie de voie imminente. Les indicateurs de de situations limites utilisés consistent en l'effort de contact pneumatique-chaussée estimé obtenu via les observateurs TS proposés. Cela a pour avantage de s'affranchir des incertitudes de modélisation liées à l'effort de contact, de pourvoir prévenir la situation critique avant qu'elle ne se produise et d'autre part, l'effort considéré comme indicateur renseigne sur l'état dynamique du véhicule en tenant compte de beaucoup de paramètres de façon implicite. Deux stratégies de détection de sortie de voie sont proposées, validées par des tests de simulations. En perspective, nous envisageons la validation des stratégies de détections proposées avec des données réelles ainsi qu'une application au déclenchement d'une aide active basée sur la détection de l'instant critique, afin d'éviter des éventuelles sorties de voie. / The work undertaken in this thesis is in the field of vehicle study and analysis.The main objective is to synthesis observers for vehicle lateral dynamics and road attributes estimation. An application to the detection of critical driving situations is elaborated in the objective to developpe a driving assistance system preventing lane departures. First, the objective is dedicated to the representation of the vehicle lateral dynamics from a nonlinear point of view via the Takagi-Sugeno (TS) formalism. An exact transformation is elaborated guarantying an exact representation taking into account the nonlinear parameters variation of the lateral contact efforts road-pneumatic reflecting their evolution in the pseudo sliding and sliding regions, with time varying parameters. This is performed to represent the vehicle behaviour in a realistic way and having in the same time an exploitable mathematical expression from the analysis tools availability point of view. The exact TS model obtained is validated by simulation test and experiments performed on a prototype vehicle. Secondly, observers based on the TS model obtained are synthesised to reconstruct the state and estimate the unknown inputs acting on the vehicle system. For this, different estimation strategies are proposed and different stability analysis are performed and ensured. These estimation strategies are also validated by simulation and experimental tests.The detection of critical driving situations is then addressed, based on the estimations obtained from the observers proposed. The objective is to provide the driver an information on the state of his behavior and the dynamics of the vehicle in time to avoid an impending lane departure.The indicators used in the extreme situations consist of the estimated pneumatic-road contact efforts obtained via the proposed TS observers.This has the advantage of dispensing modeling uncertainties related to the contact force, to prevent critical situation before it really occurs and on the other hand, the effort considered as an indicator provides information on the dynamic state of the vehicle taking into account many parameters implicitly. Two detection strategies are proposed and are validated by simulation tests. For perspectives, we plan validation of the proposed detection strategies with real data and an application to trigger active assistance based on the detection of the critical moment,to avoid possible lane departures.

Cette thèse présente une analyse de la stabilité pour une classe de systèmes non linéaires incertains et une méthode pour concevoir des contrôleurs flous robustes pour stabiliser les systèmes multi-sources d'énergie assujettis à des incertitudes paramétriques, des défauts de capteur, des défauts d'actionneurs, d’entrées inconnues et des perturbations. Tout d'abord, le modèle flou de Takagi-Sugeno (TS) est adopté pour la modélisation floue du système non linéaire incertain. Ensuite, nous proposons une méthode d’observateurs flous dédiés (OFD) et un Observateur Flou Proportionnel Intégral (OFPI) et une commande tolérante aux fautes pour les systèmes de type TS. Les observateurs dédiés fournissent des résidus pour la détection et la localisation des défauts de capteurs qui peuvent affecter un modèle TS et l’observateur proportionnel intégral permet d’estimer les défauts d'actionneurs qui alimentent le banc d’observateurs dédiés pour reconfigurer la loi de commande. Le concept de compensations distribuées parallèle (PDC) est utilisé pour concevoir une commande floue tolérante aux fautes et des observateurs à partir des modèles flous TS. Les systèmes flous TS sont classés en trois familles sur la base des matrices d'entrée et une synthèse de la commande est proposée pour chaque famille. Dans chaque famille, des conditions suffisantes sont établies pour la stabilisation robuste, dans le sens de Taylor et de Lyapunov, pour le système flou TS. Des conditions suffisantes sont formulées sous la forme d'inégalités matricielles linéaires (LMI) et d’égalités linéaires matricielles (LME). Des remarques importantes pour l'analyse de la stabilité et le concept sont données. L'efficacité de la méthodologie de conception de la commande proposée est finalement démontrée par un système hybride éolien-diesel (HWDS), système d'énergie éolienne (SEA) avec les machines asynchrones à double alimentation (MADA) et une installation photovoltaïque de nouvelle génération (PV). / This thesis presents stability analysis for a class of uncertain nonlinear systems and a method for designing robust fuzzy controllers to stabilize the multivariable multi-sources of energy systems subject to parameter uncertainties, sensor faults, actuator faults/unknown inputs and wind disturbance. First, the Takagi–Segno (TS) fuzzy model is adopted for fuzzy modeling of the uncertain nonlinear system. Next, we propose a Fuzzy Dedicated Observers (FDOS) method and a Fuzzy Proportional-Integral Estimation Observer (FPIEO) with a Fuzzy Fault Tolerant Control (FFTC) algorithm for TS systems. FDOS provide residuals for detection and isolation of sensor faults which can affect a TS model and FPIEO estimate the actuator faults which fed to the FDOS to reconfigure the controller. The concept of the Parallel Distributed Compensation (PDC) is employed to design FFTC and observers from the TS fuzzy models. Sufficient conditions are derived for robust stabilization, in the sense of Taylor series stability and Lyapunov method, for the TS fuzzy system with parametric uncertainties, sensor faults, actuator faults/unknown inputs and wind disturbance. The sufficient conditions are formulated in the format of Linear Matrix Inequalities (LMIs) and Linear Matrix Equalities (LMEs). Important issues for the stability analysis and design are remarked. The effectiveness of the proposed controller design methodology is finally demonstrated through a Hybrid Wind-Diesel System (HWDS), Wind Energy System (WES) with Doubly Fed Induction Generators (DFIG) and Photovoltaic (PV) generation system to illustrate the effectiveness of the proposed method.

Le travail de la thèse traite le problème de suivi de trajectoires des systèmes non linéaires incertains,dont le modèle nominal est construit à l’aide d’un système flou TS (Takagi-Sugeno) de type-2. Cedernier, exploite les modèles locaux du système obtenus par linéarisation autour de certains pointsde fonctionnement. La commande développée est basée sur les modes glissants d’ordre deux avecSuper-Twisting. Nous avons proposé deux systèmes flous type-2 adaptatifs, qui ont comme uniqueentrée la surface de glissement, pour résoudre le problème du calcul de la valeur optimale des gainsde la commande. Des résultats de simulation ont permis de comparer les performances de l’approcheproposée avec la méthode classique. Ensuite, nous avons introduit le concept de l’intégral sliding modepour imposer à priori le temps d’arrivée sur la surface de glissement. Les approches proposées sontgénéralisées aux cas des systèmes multivariables. Plusieurs résultats par simulation et implémentationen temps réel sont présentés pour illustrer les performances des approches développées / This work deals with a fuzzy tracking control design for uncertain nonlinear dynamic system withexternal disturbances and using a TS (Takagi-Sugeno) fuzzy model description. The control is basedon the Super-Twisting algorithm, which is among of second order sliding mode control. Moreover, twoadaptive fuzzy type-2 systems have been introduced to generate the two Super-Twisting signals toavoid both the chattering and the constraint on the knowledge of disturbances and uncertainties upperbounds. These adaptive fuzzy type-2 systems has only one input : the sliding surface, and one output :the optimale values of the control gains, which are hard to compute with the original algorithm.Simulation results are obtained in order to compare the performances of the proposed method tothat given by Levant. Then, we have introduced the integral sliding mode concept to impose inadvance the convergence time and the arrival on the sliding surface. The proposed approaches aregeneralized to the case of multivariable systems. Several results in simulation and in real time usinga benchmark are obtained to validate and to confirm the performances of our contributions.

Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre d’une convention CIFRE établie entre le laboratoire LAMIH UMR CNRS 8201 et l’équipementier automobile Valeo. Les problématiques de la thèse s’inscrivent dans un contexte proche de l’industrialisation à savoir l’estimation des couples embrayages lors des phases de changement de rapport dans une transmission à double embrayage et le contrôle de la vitesse de glissement de l’embrayage pour une transmission à simple ou à double embrayage. Afin de répondre à la problématique d’estimation de couple embrayage, un capteur virtuel de couple a été développé. Ce capteur virtuel est composé d’une estimation de la torsion des arbres de transmission basée sur une méthode d’ajout de dents virtuelles dans les capteurs incrémentaux d’une part, et d’un observateur Takagi-Sugeno discrétisé dans le domaine angulaire d’autre part. Ce procédé a permis l’estimation des couples embrayages d’une transmission à double embrayage sur une plateforme de simulation fournie par Valeo comportant un modèle complet de véhicule. Le procédé a également été testé sur des données réelles de débattement de double volant amortisseur, des estimations en ligne du couple moteur instantané acyclique et du couple embrayage ont alors été obtenues. Au cours de l’étude dédiée au glissement contrôlé de l’embrayage, une stratégie de contrôle robuste aux perturbations extérieurs induites par le conducteur et aux dispersions du système a été développée. Cette stratégie permet de répondre aux spécifications du cahier des charges en simulation. La stratégie de glissement contrôlé a également été validée sur véhicule lors d’essais sur piste et sur banc à rouleau. / This PhD has been done in an industrial framework with the so-called automotive equipment manufacturer Valeo and the laboratory of Automatic Control, Mechanics, Informatics and Human Sciences LAMIH UMR CNRS 8201 of Valenciennes, France. The issues of this PhD are closed to the industrialization context such as the clutch torque estimation during the gear shifting phases in a dual clutch transmission and the clutch slip speed control. In order to solve the inline clutch torque estimation issues, a virtual torque sensor has been developed. On one hand, this virtual sensor is composed of a shaft torsion angle estimation based on a method of virtual tooth adding into the encoder sensors. On another hand, discrete angular domain unknown input Takagi-Sugeno observer is used for the estimation of the dynamic part of transmitted torque. This methodology has permitted the estimation of the transmitted clutch torque of a dual clutch transmission in simulation. The simulation results have been obtained on a simulation platform provided by Valeo, including a complete vehicle model. The methodology has also been tested on real data of a dual mass flywheel angular deflection. Thus, online estimation of instantaneous acyclic engine torque and transmitted clutch torque has been obtained. Concerning the slip control, a robust control strategy against the external disturbances leaded to the driver and the system parameters incertitude has been developed. This strategy permits to ensure the required specifications in simulation. The strategy has been also validated on vehicle during track trials.

De nos jours, l’énergie renouvelable est une solution durable pour remplacer les sources conventionnelles d’énergie. L’utilisation de réseaux photovoltaïques (PV) et d’éoliennes est devenue très populaire. Cependant, de cette énergie gratuite découlent de nouveaux défis. Certains des grands inconvénients de ces alternatives sont représentés par un faible taux de conversion de l'énergie et par la nécessité d'utiliser un système de stockage d'énergie Un autre bémol est aussi celui de l’efficacité réduite du transfert entre les réseaux PV et/ou les éoliennes, et les consommateurs. L’objectif de cette thèse est de présenter et de comparer différentes stratégies de commandes pour les systèmes alimentés par les sources d’énergies renouvelables. Un prototype destiné à des fins d’essais a été conçu. Cette thèse traite de différents aspects tels que la modélisation de panneaux PV, l’observateur non linéaire, un algorithme de contrôle basé sur une recherche du point de puissance maximum (Maximum modélisation d’un convertisseur abaisseur DC/DC,construire un Point Power Point Tracking), un algorithme de contrôle polynôme, la stabilité du système. Le chapitre 2 présente différents modèles de cellule photovoltaïque qui peuvent, en outre, être utilisés dans une boucle de contrôle. Une interface utilisateur graphique est créée pour faciliter le calcul de certains paramètres et de la courbe caractéristique de la tension voltage du panneau PV. De plus, un modèle à espace d’états et un modèle de fonction de transfert de certains convertisseurs DC/DC sont présentés. Le chapitre 3 se concentre sur l’élaboration d’un observateur Takagi-Sugeno (T-S) qui fournit la tension estimée du panneau PV. Ce dernier sera, plus tard, utilisé dans le bloc de commande ou pourra servir pour les diagnostics. Le chapitre 4 compare différents algorithmes MPPT classique, ainsi qu’un algorithme de contrôle avancé qui pourra être utilisé plus tard pour améliorer les performances des boucles de contrôles. Une étude de cas sur une commande de supervision utilisant une cellule à combustion est proposée. Le chapitre 5 est orienté vers une approche plus pratique. Il présente un système de contrôle distribué qui est géré via un serveur OPC. Un algorithme de control polynomial robuste R-S-Test élaboré, validé en simulation et testé sur une plateforme expérimentale. Un système d’acquisition de données enregistre les informations envoyées par chacune des boucles de contrôle et est capable de tracer les données en temps réel. Le chapitre 6 est dédié aux conclusions. Le chapitre 7 présente les codes des logiciels développés et certains schémas qui ont été utilisés durant les simulations. Le chapitre 8 liste la bibliographie. / Nowadays renewable energy is a long term solution for replacing the conventional sources of energy. The use of photovoltaic (PV) arrays and wind turbines has become very popular. Nevertheless, this “free energy” arises new challenges. Some of the big inconveniences of these alternatives are represented by a low conversion rate of the energy and the necessity of using an energy storing system. Another drawback is the reduced transfer efficiency between the PV arrays or/and wind turbines and the consumers. The goal of this thesis is to present and compare different control strategies for systems that are powered by renewable sources of energy. A prototype for testing purposes was designed. This thesis treats different aspects such as PV panel modelling, buck converter modelling, building a non-linear observer, a control algorithm based on maximum power point tracking (MPPT), a polynomial control algorithm, the stability of the system. Chapter 2 presents different photovoltaic cell models that can be further used in control loops. A graphic user interface is created for facilitating the computation of certain parameters and of the power-voltage / current-voltage characteristics of a PV panel. Furthermore, a state space model and a transfer function model of some DC/DC converters are presented. Chapter 3 focuses on elaborating a Takagi-Sugeno (T-S) observer which will provide the estimated voltage of the PV panel. The latter will later be used in the control block or it can serve for diagnosis purposes. Chapter 4 compares different classical MPPT algorithms, as well as advanced control algorithms which may be later used to improve the performances of the control loops. A case study on a supervisory control that uses fuel cells is proposed. Chapter 5 is oriented on a rather practical approach. It presents a distributed control system that is managed via an OPC server. A robust R-S-T polynomial controller is designed, validated in simulation and tested on a prototype. A data acquisition system stores the data sent by each of the control loops and is able to plot data in real time. Chapter 6 is dedicated to the conclusions. Chapter 7 presents the code of the developed software and some schematics that were used during simulations. Chapter 8 lists the bibliography.

La thèse contribue à la conception des observateurs et au diagnostic pour les piles à combustible de type ’membrane échangeuse de protons’ en utilisant la théorie Takagi-Sugeno. Il y a trois objectifs de recherche dans cette thèse. La première est axée sur la modélisation, l’estimation et le diagnostic. Le modèle dynamique non linéaire de la pile est proposé, en considérant les composants auxiliaires. En termes d’estimation de paramètre, une approche non linéaire est développée pour concevoir des observateurs basés sur le modèle non linéaire de Takagi-Sugeno afin de parvenir à une estimation plus robuste. Les observateurs peuvent remplacer les capteurs de débit massique dont l’instrumentation est chère et difficile d’implémenter pour la mesure du débit massique. En utilisant de tels observateurs pour développer des algorithmes pour le diagnostic, la durée de vie de l’empilement de piles à combustible peut être prolongée. Une méthode simple de diagnostic basée sur un observateur PI pour l’estimation d’état et de défaut du capteur a été étudiée. Le deuxième objectif sur des algorithmes non linéaires embarqués, agit sur le potentiel de l’utilisation de systèmes embarqués de petite échelle pour des tâches complexes, réduisant ainsi le coût et la taille physique du système. Plus précisément, l’utilisation de l’approche de Takagi-Sugeno dans les applications embarquées a été développée. Différentes solutions pour les observateurs embarqués ont été fournies. Le dernier objectif concerne les tests de ces algorithmes embarqués pour des piles à combustible dans une architecture HIL, avec le logiciel professionnel AMESim et Matlab dans un environnement d’exploitation Windows. Une pile à combustible réelle a été utilisée afin de prouve l’efficacité de notre approche. / The thesis contributes to the observer and diagnosis design for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells using Takagi-Sugeno theory. There are three research objectives in this thesis. First is focused on modeling, estimation and diagnostics. The dynamic nonlinear model of PEMFCs is proposed, which considers the auxiliary components. In terms of parameter estimation for PEMFCs, a nonlinear approach is developed to design observers based on the nonlinear Takagi-Sugeno model in order to achieve a more robust estimation. The observers can replace the mass flow sensors which results in getting rid of expensive and cumbersome to install instrumentation for measurement of mass flow rates. By using such observers to develop algorithms for diagnosis, the fuel cell stack’s life can be prolonged. A simple method of diagnostic based on PI observer for state and sensor fault detection has been investigated. The second topic on embedding nonlinear algorithms, acts upon the potential of using small scaled embedded systems for complex tasks, thus reducing cost and physical size of the automatic system. More precisely the use of the Takagi-Sugeno approach in embedded applications is investigated. Different solutions for embedded observers have been provided. The last topic was the testing of these embedded solutions for fuel cell system in a Hardware In the Loop architecture, based on the professional software AMESim and Matlab for a Windows operating system. A real Fuel Cell has been used in order to prove the effectiveness of our approach.

Les moteurs Diesels modernes sont équipés de capteurs et d’actionneurs contrôlables tels que la vanne de recirculation des gaz d’échappement, le turbocompresseur à géométrie variable. Cette instrumentation sophistiquée nécessite de faire appel à des systèmes de diagnostic embarqués pour déceler et localiser les défaillances. Les techniques utilisées actuellement basées sur le traitement des signaux s’avèrent insuffisantes. Notre motivation est de concevoir un système de diagnostic à base de modèles mathématiques permettant au moteur d’avoir un fonctionnement sûr et optimisé. Le travail consiste donc à surveiller les défaillances du moteur notamment au niveau de la boucle d’air. Ainsi une défaillance peut entraîner une augmentation de la consommation ou une augmentation des émissions polluantes. Dans un premier temps, un système de diagnostic basé sur un observateur non linéaire robuste à entrées inconnues est proposé en vue de détecter et de localiser les défauts d’actionneurs. Dans un deuxième temps, la boucle d’air du moteur diesel est modélisée en présence de fuites au niveau du collecteur d’admission. Des approches basées sur des observateurs sont proposées pour la détection et l’estimation de ces fuites. Une fois les fuites détectés et estimées, une stratégie de commande tolérante aux fautes du moteur diesel soumis à ces fuites est proposée. La commande tolérante aux fautes intègre l'estimation de l'état, l'identification de la fuite et la loi de commande nominale, en vue de garantir la stabilisation du système défaillant. Les performances des approches proposées sont illustrées par le simulateur professionnel AMEsim en co-simulationavec MATLAB. Une installation expérimentale est mise en œuvre en utilisant un dSPACE MicroAutoBox. / Modern Diesel engines are equipped with sensors and actuators such as the controllable valve of the exhaust gas recirculation, variable geometry turbocharger. This requires sophisticated instrumentation to need on board diagnostic systems to detect and isolate faults. Techniques currently used in industry based on signal processing are limited. Our motivation is to develop a model based diagnostic system allowing the engine to have a safe and optimized functioning. The work is to monitor the diesel engine including the air loop. At first, a diagnostic system based on a robust nonlinear unknown input observer is developed to detect and to isolate actuators faults. In a second step, the air path subject to intake manifold leakages is modeled. Three approaches based on observers are developed to detect and estimate such leakages. Once the leakages detected and estimate, a fault tolerant control strategy for diesel engine subject to leakages is proposed. The proposed FTC design scheme integrates the state estimation, the leakage identification and the state feedback control law, to guaranty the stabilization of the faulty plant. The performances of the proposed approaches are illustrated by a professional simulator AMESim in co-simulation with MATLAB. In order to test these approaches in real time, experimental facility is implemented using a dSPACE MicroAutoBox.

Cette thèse concerne le diagnostic des systèmes à commutations (classe particulière de systèmes dynamiques hybrides) à modes non linéaires. Certains modes correspondent au fonctionnement normal, sans défaut ; d’autres modes représentent le comportement du système en présence de défauts capteurs, actionneurs ou composants internes. Une représentation générale multi-mode/multimodèle est proposée. Chaque mode non linéaire est modélisé sous la forme multimodèle de type Takagi-Sugeno. Cette modélisation permet de représenter un système non linéaire par une agrégation de modèles locaux linéaires. Une fonction de pondération est utilisée pour déterminer la contribution de chaque modèle local linéaire. Une conception robuste de résidus, basée sur des techniques de projection matricielle est proposée. Cette méthode utilise uniquement les données d’entrées/sorties et la connaissance des fonctions de pondération. En premier lieu, la méthode de projection des données permet de détecter et de localiser les défauts affectant les capteurs dans un mode non linéaire. En deuxième lieu, elle permet de détecter les défauts actionneurs ou les défauts internes en détectant les commutations et en reconnaissant, à chaque instant, le mode actif. Des conditions de discernabilité entre les modes sont établies et un indice de discernabilité calculé en-ligne est utilisé pour réduire la complexité de la méthode d’identification du mode courant. Des exemples académiques sont traités tout au long de la thèse afin d'illustrer en simulation, les différentes méthodes proposées. / This thesis deals with the diagnosis of switching systems (a special class of hybrid dynamical systems) with nonlinear modes. Some modes correspond to the normal operation, i.e. the fault-free case. The other modes may represent the system behavior in the presence of sensors, actuators or internal component faults. A general representation called multimode/multimodels is proposed. It models each nonlinear mode by a set of linear models. A weighting function is used to determine the contribution of each local model. A design method of robust residuals based on projection techniques is proposed. It uses only inputs/outputs data and the weighting functions. The knowledge of local parameters is not needed to compute the residuals. The fault detection and isolation with the data projection method includes firstly, the sensor faults in a nonlinear mode and secondly, the actuator faults or internal faults by detecting the mode switching and by recognizing, at each time-instant, the active mode.Discernability conditions between modes are established and a discernability index computed online is introduced in order to reduce the complexity of the current mode identification method. Academic examples are taken all along the thesis in order to illustrate the effectiveness of the different proposed methods and tools.

Orientador: Aparecido Augusto de Carvalho / Abstract: Electrical stimulation is a promising technique for motor rehabilitation in cases of spinal cord injury. Stimulator saturation is important in the control system designs applied to electrical stimulation. The negligence of the actuator saturation in the electrical stimulation can lead to unwanted control results, which evidences the muscular fatigue effects. For the first time a switched controller subject to actuator saturation for electrically stimulated lower limb is proposed. The dynamic limb extension model is nonlinear and uncertain. The uncertain nonlinear system described by Takagi-Sugeno fuzzy models operating within an operating region in the state space is considered in this study. In addition, fault in the actuator, muscle activation uncertainty, and muscular non-idealities, such as fatigue, spasms, and tremor were considered at three three severity levels. The switched controller is compared to parallel distributed compensation technique. Simulations denote better results of the switched controller by dealing with parametric uncertainties. On the other hand, a challenge for FES control systems is to monitor torque in muscle contractions. In isotonic contraction applications, measuring torque is difficult. The novelty in this study is the proposal of a new nonlinear model, whose state variables are angular position, angular velocity and angular acceleration. In this new model the torque variable is replaced by the angular acceleration. Experimental tests list the ... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: A estimulação elétrica é uma técnica promissora para reabilitação motora em casos de lesão medular. A saturação do estimulador também é um requisito importante no projeto de sistemas de controle aplicados à estimulação elétrica. A negligência da saturação do atuador pode conduzir a resultados de controle indesejados, que evidencia os efeitos de fadiga muscular. Pela primeira vez é proposto um controlador chaveado sujeito à saturação para membro inferior estimulado eletricamente. O modelo dinâmico de extensão do membro inferior é não linear e incerto. O sistema descrito por modelos fuzzy Takagi-Sugeno e operando dentro de uma região de operação no espaço de estados é considerado neste trabalho. Além disto, falha do atuador, incerteza de ativação muscular, e não idealidades musculares, tais como fadiga, espasmos e tremor foram considerados em três níveis de severidade. O controle chaveado é comparado com a compensação distribuída paralela. Simulações denotam melhores resultados do controlador chaveado lidando com incertezas paramétricas da planta. Por outro lado, um desafio dos sistemas de controle para estimulação elétrica funcional é monitorar a dinâmica do torque em contrações musculares. Em aplicações de contração isotônica, medir o torque é algo difícil. A novidade neste estudo é a proposta de um novo modelo não linear, cujas variáveis de estado são posição angular, velocidade angular e aceleração angular. Neste novo modelo a variável torque é substituída adequadamente pel... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor