Le travail de thèse proposé concerne la conception intégrée des algorithmes de surveillance des processus chimiques à base de modèles bond graph. Cette recherche est réalisée dans le cadre de la thématique «Bond graphs pour la supervision des procédés énergétiques» développée entre l’Université de Gabés (Tunisie) et l’Ecole Polytechnique Universitaire de Lille (France). Les processus chimiques sont des procédés polluants et à risque. Ils nécessitent alors pour la protection de l’environnement et du personnel des systèmes de surveillance en ligne pour la détection précoce et l’identification des défaillances. Un processus chimique est le siège de phénomènes de nature diverse : chimiques et ou biochimiques, thermo-fluidique, …. Leur modélisation nécessite alors une approche unifiée. L’outil bond graph par son caractère multidisciplinaire est bien adapté à cette tâche. D’autre part, cet outil peut aussi être utilisé pour la conception d’algorithmes de diagnostic grâce à ses propriétés comportementales, causales et structurelles et déterminer ainsi les conditions de surveillabilité structurelle des équipements pertinents sans calcul numérique. Les principales scientifiques contributions peuvent être résumées comme suit : (i) élaboration d’une bibliothèque de modèles Bond Graph de composants et phénomènes chimiques (ii) méthodologie de diagnostic à base de bond graphs pour la génération d’indicateurs de fautes sensibles à l’apparition des réactions secondaires sources de pollution et d’explosion, (iii) diagnostic robuste aux incertitudes paramétriques du modèle Bond Graphs couplés, (iv) informatisation des procédures d’analyse de surveillabilité d’une classe de procédés chimiques, (v) application à un procédé réel (installation d’estérification). / The proposed Ph.D. thesis deals with integrated design of bond graph model based for health monitoring of chemical processes. This research work is performed within the framework of the topic “Bond graphs for supervision of energetic processes" developed between the University of Gabés (Tunisia) and “Polytech’Lille”, the Engineering School within the University of Science and Technology of Lille. The chemical processes are polluting processes and with risk. They need, for staff safety and environmental protection, online surveillance for early detection and the identification of the failures. chemical processes occur phenomena of various nature: chemical and or biochemical, thermo-fluidic… Their modeling requires a unified approach. The Bond graph as a multidisciplinary tool is well suited to this task.Furthermore, this tool can be used also for the design of diagnosis algorithms thanks to its behavioral, causal and structural properties, and allows providing structural diagnosability conditions of the pertinent equipment without numerical calculation. The main scientific contributions of this research can be summarized as follows: (i)elaboration of a data base of dynamic bond graph models of components and chemical phenomena, (ii) methodology of bond graph model based diagnosis for systematic generation of fault indicators sensitive to the appearance of the secondary reactions source of pollution and explosion, (iii) robust diagnosis based on coupled uncertain bond graph model, (iv) computerization of the diagnosability analysis procedures applied to a class of a chemical process, (v) application to a real process (installation of esterification).

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2003. / Supervisor: Raul G. Longoria. Vita. Includes bibliographical references. Also available from UMI.

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L’électrolyse est une technologie qui permet de répondre à deux problématiques cruciales. D’une part, répondre au besoin en stockage d’énergie liée à l’intégration de sources intermittentes sur les réseaux électriques. D’autre part, répondre à la croissance de la demande en hydrogène, liée aux marchés naissants de l’hydrogène énergie. La nature des besoins liés au développement de la technologie d’électrolyse implique des sollicitations intermittentes dont les impacts quant au fonctionnement du système sont encore méconnus. En ce sens, et face aux manques de la littérature quant à la modélisation à l’échelle système de la technologie d’électrolyse PEM, un nouveau modèle est développé. Pour cela, le formalisme de modélisation graphique Bond Graph est utilisé, notamment pour sa capacité à représenter tout type d’échange énergétique de manière unifiée. Le modèle développé permet de représenter l’intégralité d’un système d’électrolyse PEM, ses différents composants et lois de contrôle associées. Il est validé sur la base du comportement dynamique d’une installation semi-industrielle disponible au CEA. Ce modèle est ensuite utilisé pour identifier et comprendre les enjeux liées à une sollicitation intermittente d’un système d’électrolyse PEM d’un point de vue de l’efficacité du système, de sa flexibilité et de sa capacité de suivi de charge, de sa fiabilité, de sa sûreté ou encore de sa durabilité. Différentes modifications de conception sont simulées et évaluées à la lumière de ces différents enjeux. Finalement, le modèle Bond Graph est exploité d’un point de vue de ses propriétés structurelles afin d’analyser les conditions de surveillabilité d’un système d’électrolyse PEM. / PEM Electrolysis is a technology which to enable to face two major challenges : (i) Fulfill the need of energy storage caused by the integration of intermittent energy sources on electricity networks; (ii) Cope with the growing need of carbon free hydrogen caused by the future market applications of hydrogen energy. These particular needs, regarding electrolysis technology development, involve an intermittent operating mode which impacts on the dynamic behavior of the system remain unknown. Modelling is a critical tool to understand these issues and provide a thorough analysis. State of the art of existing modelling works highlighted that only a few models take into account the dynamic of the whole system including Balance of Plant. Therefore a new dynamic and multiphysic model was developed under Bond Graph formalism. This graphical modelling formalism was selected especially thanks to its ability to represent any kind of power exchange in a unified way. The model enables to represent the whole system including balance of plant and associated control laws. It is validated on the dynamic behavior of an experimental device available in CEA. The model is then used in order to identify and understand the issues related to intermittent operation of a PEM electrolysis system. These issues are related to system efficiency, flexibility, reliability, safety and durability. Regarding these issues, some design changes are simulated and assessed. Finally, the Bond Graph model and its structural properties enable to perform diagnosis and monitorability analyses of a PEM electrolysis system.

Thesis (Ph. D.)--Virginia Polytechnic Institute and State University, 1992. / Vita. Abstract. Includes bibliographical references (leaves 243-245). Also available via the Internet.

Thesis (M. Eng.)--Carleton University, 1996. / Also available in electronic format on the Internet.

Dans certaines conditions de vol, les aéronefs à voilure tournante souffrent parfois de l’émergence d’oscillations indésirables, phénomènes potentiellement instables connus sous le nom de Couplages Pilote-Aéronef aéroélastiques (CPA). Ces phénomènes affectent de manière critique la sécurité et la performance des aéronefs. Par conséquent, il est important d’être capable de prédire l’émergence de tels phénomènes dynamiques, le plus tôt possible dans le processus de conception des hélicoptères. Une revue de la littérature révèle que ces phénomènes sont le résultat d’interactions entre les comportements biodynamique du pilote et aéroélastique des hélicoptères. Afin d’avoir une plus grande modularité et granularité dans le processus de modélisation de systèmes complexes, une approche par bond graphs est adoptée. Un modèle aéromécanique d’hélicoptère et un modèle neuro-musculo-squelettique d’un des membres supérieurs du pilote sont développés en bond graphs. Parmi les représentations proposées, trois sont originales, notamment afin de modéliser : des efforts aérodynamiques quasi-statiques, la liaison traînée-battement-pas entre pale et moyeu rotor, et les efforts musculaires à partir d’un modèle de Hill qui tient compte d’une boucle de rétroaction neuromusculaire. Des résultats encourageants sont obtenus lorsque l’on compare la transmissibilité, entre l’angle de manche de pas cyclique imposé par le pilote et des accélérations latérales de la cabine, calculée à partir du modèle biodynamique, et à partir des résultats expérimentaux tirés de la littérature. Un modèle du système bioaéroélastique homme-machine est linéarisé, au voisinage d’un vol stationnaire, et analysé en termes de stabilité. L’étude révèle, comme conjecturé dans la littérature, que le mode régressif de traînée peut être déstabilisé. De plus, il apparaît que le mode progressif de traînée peut également être déstabilisé lors d’un CPA sur l’axe latéral-roulis. Un critère d’analyse de la stabilité d’un équilibre d’un système dynamique à partir d’un modèle linéaire limite la possibilité de prendre en compte certains comportements non-linéaires et donc réduit l’espace de conception. Les premières pierres vers une méthode basée sur des fonctions de Chetaev sont posées, afin de déterminer si l’équilibre d’un système dynamique est instable, directement à partir d’un modèle mathématique non-linéaire de grande dimension, à un coût de calcul potentiellement intéressant. Afin d’illustrer la pertinence de la proposition, le cas de la résonance sol d’un hélicoptère est présentée. / Under certain flight conditions, rotorcrafts might suffer from the emergence of undesirable oscillations, potentially unstable phenomena, known as aeroelastic Rotorcraft-Pilot Couplings (RPCs). These phenomena critically affect the safety and performance of rotorcraft designs. Therefore, there is an important interest in being able to predict the emergence of such dynamic phenomena, as soon as possible during the design process of helicopters. A review of the state-of-the-art reveals that these phenomena are the result of interactions between pilots’ biodynamics and helicopters’ aeroelastic behaviors. In order to provide more modularity and granularity in the modeling of complex systems, a bond graph based approach is used. A helicopter aeromechanical model and a pilot upper limb neuromusculoskeletal model are developed using bond graphs. Three original bond graph representations are proposed, to model: quasi-steady aerodynamic forces, lag-flap-pitch joint at blades’ roots, and a Hill-type muscle force model that accounts for muscle reflexive feedback. Encouraging results are found when comparing the pilot biodynamic model transmissibility cyclic lever angle to lateral cockpit accelerations computations to literature experimental results. A linear model of the coupled human-machine bioaeroelastic system around hover is analyzed in terms of stability. It reveals not only the regressing lag mode, as conjectured in literature, but also the advancing lag mode can be destabilized during a lateral-roll aeroelastic RPC. Furthermore, a criterion to assess the stability of the equilibrium of a dynamic system from a linear model limits the possibility to take into account nonlinear physical behaviors, reducing the design space. The first blocks towards a method based on Chetaev functions is proposed, to determine if an equilibrium is unstable, directly from its large nonlinear mathematical model, at a potentially interesting computational cost. The helicopter ‘ground resonance’ case illustrates the soundness of the proposal.

Afin d’introduire de nouvelles fonctions dans les commandes de vol d’hélicoptère, il est nécessaire d’augmenter les bandes passantes de leurs actionneurs. La modélisation réaliste de l’ensemble du système d’actionnement, rendant compte de ses limitations de puissance et de sa consommation énergétique, ainsi que l’amélioration des technologies existantes des dispositifs d’étanchéité et de guidage sont les deux enjeux principaux permettant d’atteindre la durée de vie souhaitée à hautes fréquences. Pour supporter ce nouveau développement, ce travail s’organise en trois parties. Une première partie présente l’état de l’art des commandes de vol de l’hélicoptère. Une architecture générique d’actionneur est proposée ainsi que la terminologie associée. Une deuxième partie porte sur l’élaboration d’un modèle de connaissance détaillé à l’aide du formalisme Bond-graph pour le système d’actionnement. Un effort particulier est porté sur la standardisation des composants et de leurs interfaces dans une démarche orientée objet. La dernière partie traite concerne les dispositifs d’étanchéité et de guidage au niveau des vérins de commande de vol. Compte tenu de l’objectif d’utiliser des paliers fluides, les différentes manières de générer une force normale au sein d’un film fluide sont analysées. Puis, une étude plus approfondie des butées hydrostatiques et des paliers hybrides coniques est ensuite conduite en tenant compte des contraintes propres à l’aéronautique. L’ensemble des connaissances acquises sont appliquées à un cas concret de développement assisté par les modèles d’actionneur hautes fréquences pour le contrôle actif de rotor. / In order to introduce new functions in helicopter flight controls, it is necessary to increase the bandwidths of their actuators. A realistic modelling of the entire actuating system, taking into account its power limitations and its energy consumption, as well as the improvement of the existing sealing and guiding device technologies are the two main challenges to reach the desired high frequency without reducing dramatically the actuator lifespan. To support this new development, this work is organized in three parts. A first part presents the state of the art of the helicopter flight controls. A generic actuator architecture is proposed as well as the associated terminology. A second part deals with the development of a detailed knowledge-model using the Bond-graph formalism for the actuating system. A particular effort is made to standardize the components and their interfaces in an object-oriented approach. The last part deals with the sealing and guiding devices of flight control cylinders. Given the objective of using fluid bearings, the various ways of generating a normal force within a fluid film are analyzed. Then, a more detailed study of the hydrostatic thrust bearings and the conical hybrid bearings is then carried out taking into account the constraints specific to aeronautics. All the knowledge acquired is applied to a concrete case of development, aided by the models, of high frequency actuators for the active control of a rotor.

La conception des systèmes mécatroniques, vu leur complexité, nécessite d'entreprendre une approche systémique qui implique l'utilisation d'une méthodologie permettant, en premier lieu, de considérer le système avec toutes ces composantes (mécanique, électronique, informatique, etc.), de concevoir et de spécifier ce système par la définition de ces composants et des liens qui existent entre eux. D'autre part, elle doit aussi donner la possibilité de décrire ces composants avec les outils existants des différents domaines technologiques. Nous nous sommes tournés vers des technologies orientées-objet, en l'occurence l'ingénierie guidée par les modèles MDE, pour construire une méthodologie permettant d'entreprendre cette approche systématique supportant les activités d'ingénierie décrites dans le standard ISO/IEC/IEEE 15288. Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie qui répond à ces besoins intitulés MISSyM. Dans MISSyM, les activités de conception sont réalisées sur des modèles SysML étendus par des profils supportant le standard IEEE 15288. De plus, MISSyM intègre le support d'éléments de modélisation spécifiques aux systèmes mécatroniques. Nous avons aussi intégrer dans MISSyM une extension à SysML supportant les Bonds Graphs et permettant d'entreprendre une analyse énergétique. Nous avons par la suite enrichi la méthodologie MISSyM par une méthode de vérification de la qualité de l'architecture qui repose sur un algorithme utilisant des métriques et un algorithme de partitionnement de la matrice de dépendances ou DSM. Nous avons en plus ajouté la génération de codes vers le langage de simulation Modelica. Finalement, nous avons décrit le processus global de la méthodologie basé sur l'architecture de modèles MDA et en concordance avec le standard IEEE 15288. Nous avons fourni un exemple d'application pour permettre aux ingénieurs système de mieux utiliser le langage SysML à travers cette méthodologie.

Des modules de supervision à base de modèle Bond Graph (BG) sont conçus pour les procédés énergétiques présents dans les industries à risques. Le BG comme outil multidisciplinaire est bien adapté à cause de la mise en jeu des énergies de nature diverse. Cet aspect de couplage (énergie, chimique...) rend les modèles dynamiques fortement non linéaires.<br />La génération systématique de modèles linéarisés des procédés complexes est considérée, le BG global d'une installation est directement obtenu à partir du Plan d'Instrumentation Détaillé (PID). Ces modèles sont valides car les processus thermofluides réels sont en général régulés autour d'un point de fonctionnement.<br />Les paramètres (coefficients hydrauliques, coefficients d'échange thermique...) n'étant pas toujours connus, la détermination directe des propriétés structurelles (commandabilité, observabilité, surveillabilité) des BGs sans<br />calcul préalable est utile pour la FDI (Fault Detection and Isolation).<br />Dans un premier temps, les modèles linéarisés sont exploités pour l'étude de la surveillance. Avant n'importe quelle implémentation industrielle (ou ajout de capteurs), la surveillabilité des composants, des actionneurs et des capteurs est considérée sans générer les Relations de Redondance Analytiques (RRA).<br />Dans un second temps, le modèle bond graph non linéaire est utilisé pour la conception des systèmes de<br />surveillance. En génie des procédés, il est possible d'identifier la catégorie des composants (actionneurs<br />hydrauliques, capteurs thermiques, etc..) à laquelle appartient l'élément défaillant. La surveillabilité de défauts simultanés d'actionneurs est considérée par une approche de platitude directe et générique.