Cette thèse porte sur le développement d'une loi de guidage autonome par platitude pour les véhicules de rentrée atmosphérique. La problématique associée au développement d'une loi de guidage autonome porte sur l'organisation globale, l'intégration et la gestion de l'information pertinente jusqu'à la maîtrise du système spatial durant la phase de rentrée. La loi de guidage autonome proposée dans ce mémoire s'appuie sur le concept de platitude, afin d'effectuer un traitement des informations à bord, dans le but double d'attribuer un niveau de responsabilité et d'autonomie au véhicule, déchargeant ainsi le segment sol de tâches opérationnelles "bas niveau", pour lui permettre de mieux assumer son rôle de coordination globale. La première partie de ce mémoire traite de la caractérisation formelle de sorties plates pour les systèmes non linéaires régis par des équations différentielles ordinaires, ainsi que pour les systèmes linéaires à retards. Des algorithmes constructifs sont proposés afin de calculer des sorties plates candidates sous un environnement de calcul formel standard. Dans la seconde partie, une méthodologie complète et générique de replanification de trajectoires de rentrée atmosphérique est proposée, afin de doter la loi de guidage d'un certain niveau de tolérance à des pannes actionneur simple/multiples pouvant survenir lors des phases critiques d'une mission de rentrée atmosphérique. En outre, une méthodologie d'annexation superellipsoidale est proposée afin de convexifier le problème de commande optimale décrit dans l'espace des sorties plates. La loi de guidage proposée est ensuite appliquée étape par étape à une mission de rentrée atmosphérique pour la navette spatiale américaine STS-1. / This thesis deals with the design of an autonomous guidance law based on flatness approach for atmospheric reentry vehicles. The problematic involved by the design of an autonomous guidance law relates to the global organization, the integration and the management of relevant data up to the mastering of the spacecraft during the re-entry mission. The autonomous guidance law proposed in this dissertation is based on flatness concept, in order to perform onboard processing so as to locally assign autonomy and responsibility to the vehicle, thus exempting the ground segment from "low level" operational tasks, so that it can ensure more efficiently its mission of global coordination. The first part of the manuscript deals with the formal characterization of flat outputs for nonlinear systems governed by ordinary differential equations, as well as for linear time-delay systems. Constructive algorithms are proposed in order to compute candidate flat outputs within a standard formal computing environment. In the second part of the manuscript, a global and generic reentry trajectory replanning methodology is proposed in order to provide a fault-tolerance capability to the guidance law, when facing single/multiple control surface failures that could occur during the critical phases of an atmospheric reentry mission. In addition, a superellipsoidal annexion method is proposed so as to convexify the optimal control problem described in the flat outputs space. The proposed guidance law is then applied step by step to an atmospheric reentry mission for the US Space Shuttle orbiter STS-1.

L’utilisation des convertisseurs de puissance dans les applications de transport électrique à base de pile à combustible ouvre les portes de recherche sur la problématique de leur fiabilité puisqu’un défaut dans ces circuits pourrait provoquer une panne ou un disfonctionnement se répercutant sur l’ensemble de la chaine de traction. Le convertisseur statique considéré est un hacheur élévateur à six bras parallèles et entrelacés à fréquence de découpage égale à 100kHz ayant un gain en tension élevé (égal à 5). Il comporte avec le choix des éléments passifs une ondulation de courant d’entrée faible et interface une pile à combustible de 21kW (70V, 300A) et une charge résistive de 350V (valeur proche des réseaux comportant des batteries Li-ion). Ces systèmes incorporent des interrupteurs de puissance semi-conducteurs qui sont les composants les plus fragiles et qui sont soumis à des contraintes électriques et thermiques sévères pour les applications automobiles. L’utilisation de la technologie en carbure de silicium pour ces cellules semi-conductrices élémentaires accompagne un réel besoin industriel des filières de développement des systèmes miniaturisés et intègre les préoccupations des constructeurs automobiles autour de la mise en œuvre opérationnelles des technologies innovantes embarquées et fiables. En effet, cette technologie des composants semi-conducteurs, dit «grand-gap», est à coup sûr un candidat sérieux pour optimiser l’efficacité énergétique et l’intégration de puissance des convertisseurs, pour pile à combustible, plus robustes vis-à-vis des contraintes de l’usage transport. Dans mes travaux de thèse, les défauts de type court-circuit et circuit-ouvert d’interrupteurs de puissance en carbure de silicium sont alors considérés pour satisfaire la continuité de service et annuler l’influence de cette dégradation d’une part sur la source électrochimique et d’autre part sur la charge. Les méthodes de détection proposées sont des méthodes simples et non intrusives. Elles utilisent la tension drain et source VDS de l’interrupteur de puissance comme indicateur de défaut pour juger de la présence d'un court-circuit ou un circuit-ouvert. Le principe de détection consiste à comparer la tension VDS à une tension seuil paramétrable (à fixer pour le composant en carbure de silicium). Une fois la phase inductive défectueuse est identifiée, un processus de de gestion des défauts par la commande est mis en œuvre. Dans le cas de court-circuit une stratégie de soulagement par la commande est appliquée pour adoucir la coupure de courant de la branche inductive en défaut. Puis suivra l’isolation de cette ligne via des interrupteurs spécifiques qui supportent une ouverture du circuit à fort courant (exemple: fusible ultra-rapide) et une reconfiguration par la commande du convertisseur de puissance (passage de 6 à 6-i phases, avec i nombre de défauts). Dans le cas de circuit-ouvert, qui un défaut qui isole automatiquement le bras défectueux, si aucune action préventive n’est planifiée la continuité de service est assurée mais à plus d’ondulations de courant sur les bras du convertisseur statique. Pour éviter cet effet, la reconfiguration par la commande est nécessaire. / The use of power converters in fuel cell electrical transport applications drives research to study the problem of their reliability, since a fault in these circuits could cause a breakdown or a malfunction that affects the entire system of the powertrain. The converter under consideration is a six-phase interleaved boost converter operating in unidirectional power flow in continuous conduction mode with a 100 kHz switching frequency and a high voltage gain (equal to 5). It allows, with the choice of passive elements, a low input current ripple and interfaces a 21kW fuel cell (70V, 300A) and a resistive load of 350V (value close to the networks with batteries Li-ion). These systems contain semiconductor power switches which are the most fragile components and are subject to severe electrical and thermal stresses for automotive applications. The use of silicon carbide technology for these semiconductor components accompanies a real industrial need for development of a miniaturized system and integrates the concerns of manufacturers of electric vehicles around the implementation of innovative, embedded and reliable technologies. Indeed, this technology of semiconductor components is certainly a serious candidate to optimize the energy efficiency and power integration of converters, for fuel cells, more robust against constraints of the transport use. In my thesis work, switch short-circuit and switch open-circuit faults of silicon carbide power switches are considered to satisfy the continuity of service and to cancel the influence of this degradation on both the fuel cell source and the charge. The proposed detection methods are simple and non-intrusive. They use the drain to source voltage VDS of the power switch as a fault indicator to judge the presence or not of a short-circuit or an open-circuit switch fault. The detection principle consists in comparing the VDS voltage with a configurable threshold voltage (to fix it for the silicon carbide component). Once the faulty inductive phase is identified, a fault management process by the control is implemented. In the case of switch short-circuit fault, firstly a control strategy is applied to soften the break of current of the faulty inductive phase. After faulty phase isolation using specific switches that support breaking of the high-current circuit (example: high-speed fuse) and a reconfiguration by the control of the power converter (transition from 6 to 6-i phases, with i number of faults). In the case of switch open-circuit fault, which automatically isolates the defective phase, if any preventive action is planned the continuity of service is ensured but to more current ripple on the arms of the DC/DC converter. To avoid this effect, reconfiguration by the command is necessary.

L’acquisition de paramètres physiques tels que la température, la pression, le couple et la vitesse est nécessaire aux systèmes aéronautiques critiques afin d’atteindre et d’assurer les performances requises de disponibilité et de sécurité de fonctionnement. L’acquisition de ces paramètres physiques nécessite donc la mise en oeuvre de technologies et de techniques hautement éprouvées pouvant supporter les conditions de fonctionnement sévères.L'objectif des travaux présentés dans ce mémoire est de proposer une nouvelle architecture de chaîne d'acquisition de grandeurs physiques pour être intégrée à un système aéronautique critique. Le but de cette architecture est d'améliorer l'intégrité des données mesurées tout en maintenant leur disponibilité et le niveau de sûreté de fonctionnement propre aux systèmes aéronautiques de haute criticité. La solution se déploie sous la forme d'une amélioration de la tolérance aux défauts de la chaîne de traitement du signal issu du capteur. Pour ce faire, nous intégrons des fonctions supplémentaires, dont le modèle mathématique de la chaîne d'acquisition, rendant ainsi le système plus intelligent.Dans le cadre de nos travaux de recherche, nous nous appuyons sur les spécifications techniques d'un projet industriel typique des systèmes aéronautiques critiques, qui est le coeur de notre thématique principale. / The acquisition of physical parameters as such as temperature, pressure, torque, and speed are necessary to flight critical systems in order to reach and ensure safety and availability required. Consequently, it requires implementing high technologies and techniques which are able to work in rugged environments.The aim of our work is to design a new architecture for sensor acquisition systems in order to be integrated onto a flight critical system. The goal of the architecture is to ensure data integrity, system's availability and safety relative to airborne critical systems. The solution adds the fault tolerance ability to the signal conditioning. Consequently, we implement additional functionalities, as such as mathematical model of the signal conditioning, in order to make the acquisition system more intelligent.Our research work is partially based on technical specifications from SYRENA project, which is a typical example of flight critical systems, which is the main thematic of our purpose.

Le développement de commandes en boucle fermée pour des entraînements électriques nécessite l'installation de capteurs pour avoir l'information de la rétroaction. Cependant, un éventuel défaut survenant sur l'un des capteurs installés (de courant, de vitesse/position,…) implique un disfonctionnement de la commande conduisant dans la plupart du temps à la mise hors service du système. Ces conséquences sont contraires aux exigences des industriels qui demandent des degrés de fiabilité du système de plus en plus élevés. Des statistiques montrent que le défaut capteur est fréquent. Il est donc impératif de trouver des solutions pour assurer la continuité de service des systèmes électriques dans le cas de présence de ce type de défaut. Tout d'abord, l'étude présentée dans ce manuscrit présente les technologies des différents capteurs installés et ce pour comprendre les raisons et le type de pannes qui pourraient survenir. Ensuite, le système sur lequel la validation des algorithmes développés est décrit. Il s'agit d'un entraînement électrique basé sur une machine à Double Alimentation (MADA) fonctionnant en mode moteur et connectée au réseau via deux convertisseurs. La commande associée est une Commande Directe de Couple (CDC). Elle est validée en mode sain aussi bien par simulation qu'expérimentalement. Après, les études réalisées prennent en considération les défauts capteurs de courants alternatifs et de vitesse/position. Les algorithmes développés, permettant une continuité de service, utilisent une redondance analytique et sont basés sur l'estimation et aussi sur la Détection et l'Isolation d'un éventuel Défaut (DID). Ils sont caractérisés par leur simplicité. Aussi, ils ne sont pas gourmands en termes de consommation en ressources matérielles et leur temps d'exécution est très court. Enfin, la validation expérimentale de ces algorithmes montre bien leur efficacité en cas de défaut, vu que le système s'avère insensible au défaut et continue à fonctionner sans interruption. La commande obtenue est alors tolérante aux défauts capteurs. / The development of closed loop controls for electrical drives requires the sensor installations in order to get feed back information. Nevertheless, any occurred sensor fault (current sensor,speed/position sensor,…) shows an operation system deterioration which leads in most cases to its shut down. This consequence is in contrast to industrial expectations especially concerning the system high accuracy that they are asking for. Statistic studies point out the sensor faults as frequent. So, it is necessary to find out solutions ensuring the system service continuity in case of any sensor fault. Firstly, the study presented in this work shows the used sensor technologies in order to understand both of the reason and the kind of occurred faults. Secondly, the studied system is presented which is an electrical drive based on a Doubly Fed Induction Machine (DFIM) operating in motor mode and connected to the grid by two inverters. The control developed is a Direct Torque Control (DTC). The control validation, in healthy operating mode, is realised throw simulation and experimentally. After, a study considering alternative current sensor and speed/position sensor faults are achieved. The developed algorithms are based on signal estimation, on a Fault Detection Isolation (FDI) and reconfiguration algorithms. In fact, they are simple to carry out, they don't need much hardware resources for implementation and their execution time is short. Finally, the experimental validation of the developed algorithms shows their efficiency. The system continues working even in presence of a sensor fault. Thus, the obtained control becomes a fault tolerant control thanks to these algorithms.

Le projet d'avion électrique vise à remplacer les vecteurs énergétiques que sont les fluides hydrauliques et l'air comprimé par le courant électrique et d'obtenir en conséquence une diminution significative de la consommation en carburant Dans cette thèse, nous proposons deux solutions : la première dans un souci d'accroitre la disponibilités des actionneurs électriques et la seconde pour la traction au sol (taxiage d'avion). Dans la première étude, nous nous plaçons dans le cadre d'un actionneur pour lequel il est demandé une redondance électrique. Ceci peut être le cas d'un actionneur de mode « normal », redondé par un actionneur de type secours, mais où les fiabilités cumulées ne sont pas suffisantes, et où la partie électrique et la commande du système dit normal est redondé. Nous proposons une topologie de moteur synchrone à aimants permanents à bobinage à plots à deux étoiles découplées magnétiquement et à courant de court-circuit limité. Pour les machines à plots, nous avons établi un modèle semi analytique dans le but de prédire l'amplitude de la résultante des forces radiales agissant sur le rotor de cette machine en cas de fonctionnement en modes sain et dégradé. Nous avons établi le modèle de cette machine en vue de la commande et nous avons validé expérimentalement ce principe de conception sur un prototype dimensionné au laboratoire et réalisé par une société du groupe SAFRAN. Dans la seconde étude, nous avons investigué sur l'utilisation de moteurs multi-enroulements permettant de répondre au mieux à un cahier des charges exigeant pour une application de traction d'aéronefs: le « green taxiing ». Le principe est de permettre de faire varier le coefficient de couple d'un moteur de manière à optimiser la masse du moteur mais aussi les contraintes sur le convertisseur qui l'alimente permettant d'atteindre de larges plages de vitesse. Le modèle en vue de l'alimentation a été développé et validé par une comparaison à une résolution par éléments finis en magnétodynamique / The more electrical aircraft project aims at replacing most of current power generation sources by electrical ones. Consequently this replacement might generate a significant decrease of the fuel consumption. Through this thesis we determine two electrical solutions allowing on the one hand the increase of disponibility level of the actuators and on the other handthe aircraft taxiing by electrical means. We firstly focused on electrical actuators that require electrical redundancy. A first mean to achieve this redundancy is to use two actuators. Nevertheless this solution is not relevant under the reliability constraint because the global failure rate is increased. A double star permanent magnet synchronous motor with concentrated winding is proposed in which a special care was taken to the short circuit current limitation and the magnetic decoupling between the two star winding. We established a semi-analytic model for this kind of motors to predict the amplitude of the resultant of the radial forces acting on the rotor of the machine when operating under normal and faulty operation. We established the model of the machine in order to determine the command strategy. We experimentally validated all of the design principles mentioned above through a prototype designed in the laboratory and built by one of the SAFRAN group company. We secondly investigated on the way to apply the multi winding principles to a brand new project linked to the aircraft taxiing called “green taxiing”. The goal is to obtain a motor topology that allows operating on a wide speed range thanks to the command strategy and the change of its torque coefficient. We established the model of the machine and we compared the results given by this ingenious model to the results given by a finite element resolution using a transient magnetic application