Le mémoire investiguera une stratégie de commande non linéaire dont l'objectif est de maximiser la puissance active Pékc de sortie d'une machine synchrone à aimant permanent à flux transverse (MSAPFT) monophasée, utilisant un redresseur actif à commutation forcée dans une application éolienne. Dans une MSAPFT, la reactance statorique Xs en p.u. est élevée et la saturation dans le noyau magnétique du stator engendre des comportements non linéaires que la stratégie de commande doit considérer. L'emphase sera portée sur le développement d'une relation entre le couple moyen T et le courant statorique is, déterminée à l'aide d'un outil de modélisation de MSAPFT, basé sur des simulations par éléments finis. C'est à partir de cette relation couple-courant qu'une loi de commande ic(T) est déduite, maximisant ainsi le couple moyen T et donc la puissance active de sortie Pélecét la machine. Des gains de puissance de l'ordre de 10% peuvent être observés lorsque l'on applique cette loi de commande ic(T) dont la valeur d'angle de phase y/opl est optimale comparativement à une loi de commande qui impose un angle de phase y/ égale à zéro. Enfin, des simulations du système de commande, incluant le modèle de MSAPFT conçu ainsi qu'un redresseur actif à MOSFET, permettent de valider ces résultats. Des essais expérimentaux de la commande en courant d'un prototype d'alternateur de MSAPFT viennent aussi appuyer l'argumentation.

La fabrication de comprimés pharmaceutiques par granulation humide a typiquement recours aux lits fluidisés pour le séchage des particules. Encouragée par les agences réglementaires, l'industrie a entamé une migration vers la production continue et automatisée, mais les procédés discontinus (batch) opérés sans rétroaction, excepté un contrôle qualité en fin de cycle, demeurent largement majoritaires dans le secteur. Dans le cas des séchoirs à lit fluidisé, cette approche occasionne plusieurs complications comme le sous-séchage, le surséchage et la surchauffe des granules thermosensibles, qui peuvent conduire au rejet du lot. Toutefois, la commande avancée et la production en continu peuvent réduire les problèmes d'opération. Ce projet de recherche concerne donc l'automatisation du séchage par lit fluidisé ou, plus spécifiquement, sa modélisation, sa commande et son observation. La conception et la comparaison de diverses stratégies d'estimation et de contrôle nécessitent d'abord un modèle mathématique représentatif du procédé. Pour y parvenir, une identification « boite grise » estime les paramètres empiriques d'une description phénoménologique à deux phases du lit fluidisé à partir de données expérimentales et un second lot de données valide les simulations qui en résultent. Cet ouvrage évalue ensuite la commande prédictive linéaire, non linéaire et économique sur le simulateur calibré. L'étude explore aussi les filtres de Kalman standard et non parfumé, ainsi que l'estimateur à fenêtre glissante, comme capteur virtuel de teneur en eau des particules, le principal indicateur de qualité au séchage. La première partie de cette thèse se concentre sur les séchoirs verticaux discontinus, et la deuxième, sur un nouveau prototype de réacteur horizontal entièrement continu. Les résultats de cette recherche confirment les avantages indéniables de ces technologies, soit un contrôle serré de la qualité du produit, et une diminution des coûts et de l'empreinte environnementale des opérations. / Manufacturing pharmaceutical tablets through wet granulation typically relies on fluidized bed drying for the particles. Advocated by regulatory agencies, the industry initiated a paradigm shift towards fully continuous and automated production, but batch processes operated without feedback, except a quality control at the end of the cycle, still prevail in the sector. For the case of fluidized bed dryers, this approach results in several issues like under drying, over drying, overheating of thermosensitive granules, that can lead to the rejection of the batch. However, advanced control and continuous processing can reduce the operational hurdles. This research project investigates the automation of fluidized bed drying or, more specifically, its modeling, control and observation. The design and comparison of various estimation and feedback strategies first require a representative mathematical model of the process. For this, a grey-box identification estimates the empirical parameters of a two-phase fluidized bed description from experimental data, and a second dataset validates the resulting simulations. This work then investigates linear, nonlinear, and economic model predictive control on the calibrated simulator. The study also explores the standard and unscented Kalman filter, and the moving-horizon estimator, as soft sensors for the particle moisture content, a critical quality attribute at drying. The first part of this thesis focuses on vertical batch dryers, and the second one, on a new prototype of a fully continuous horizontal reactor. The results of this research confirm the undeniable advantages of those technologies, namely a tight control of the product quality, and reductions in the costs and the environmental footprint of the operations.

La flottation en colonne est un système multivariable complexe avec une dynamique incertaine et non linéaire qui subit l'effet de perturbations non mesurées. Son optimisation est donc un défi d'envergure. Avec les techniques d'optimisation en temps réel, l'hypothèse que le système est en régime permanent alors qu'il est constamment perturbé limite la fréquence d'optimisation. Les systèmes hiérarchisés de commande permettent de prendre en compte l'incertitude et la complexité du procédé. Une approche courante pour optimiser indirectement l'opération des procédés de flottation consiste à mesurer et à réguler des variables secondaires qui sont fortement corrélées aux variables de performance. Ce projet couvre deux sujets importants. Le premier aspect est le développement d'algorithmes d'estimation des variables secondaires. Des techniques permettant l'estimation de la profondeur d'écume et du différentiel d'eau basées sur des mesures de conductivité sont développées. Un observateur dynamique non linéaire de la concentration en moussant fut également conçu, conduisant à des erreurs de 1 ppm. Finalement, un modèle de mélange Gaussien (Gaussian mixture model) a permis la mesure en-ligne de la distribution de dimension des bulles à partir d'un système d'imagerie. Le deuxième sujet est la conception de stratégies de commande visant l'optimisation indirecte du procédé. Une commande prédictive qui optimise indirectement la colonne en maximisant le taux de rétention d'air tout en assurant un différentiel d'eau positif est premièrement décrite. Une commande à modèle interne basée sur un modèle de Wiener fut également conçue pour réguler la dimension des bulles. Un barbotteur ("frit and sleeve") permet la régulation de la dimension de bulles de façon indépendante du débit superficiel du gaz, une étape clé pour contrôler le taux surfacique de bulles. Ces expériences illustrent que le taux de rétention d'air et le taux surfacique de bulles sont fortement corrélés démontrant qu'ils peuvent tous deux être employés à des fins de commande. Finalement, la commande de la distribution de la dimension des bulles est explorée. L'emploi d'un modèle de mélange Gaussien pour représenter la distribution de la dimension des bulles permet de transformer un problème d'ordre infini en une situation qui permet l'utilisation de méthodes classiques de commande

Le procédé de coagulation constitue la première étape de traitement de la chaîne conventionnelle de production d’eau potable. La détermination du dosage optimal de coagulant à appliquer est relativement complexe puisqu’elle requiert l’atteinte simultanée de plusieurs objectifs. Il est donc pertinent de développer des outils d’aide à la décision pour assister les opérateurs dans le choix de la dose de coagulant. L’objectif de l’étude était de fournir des outils aux opérateurs de l’usine de traitement des eaux (UTE) de Sainte-Foy pour les aider dans le choix du dosage de sulfate d’aluminium (alun). Dans le cadre de ce projet, quatre outils ont été ainsi développés : un modèle de prédiction du dosage d’alun à appliquer, deux modèles de prédiction de la concentration en carbone organique dissous (COD) à l’eau décantée et un capteur virtuel qui permet de prédire la concentration en COD aux eaux brute et décantée. Dans tous les cas, il s’agit de modèles neuronaux. Le premier modèle permet de prédire le dosage d’alun à appliquer en reproduisant la bonne opération antérieure effectuée à l’usine en termes de réduction de la turbidité. Les variables d’entrée du modèle sont le mois, la conductivité, la température, la turbidité et le pH à l’eau brute. L’ajustement du modèle a été effectué à partir de données d’opérations récoltées aux 5 minutes pendant 4 années (378 535 séries de données). Les dosages prédits diffèrent en moyenne de 5,9% de ceux réellement appliqués. Le second modèle permet de prédire la concentration en COD à l’eau décantée à partir de l’absorbance ultraviolet (UV) à 254 nm et du COD à l’eau brute, du pH de coagulation et de la dose d’alun appliquée. Les performances du modèle 2 ont été comparées à celles obtenues à partir de deux autres modèles empiriques provenant de la littérature et permettant de prédire la concentration en COD après coagulation. Le modèle neuronal 2 a de meilleures performances de prédiction que ces deux autres modèles empiriques. Les concentrations en COD prédites par le modèle 2 diffèrent en moyenne de 9,6% de celles réelles. Le troisième modèle prédit la concentration en COD aux eaux brute et décantée à partir de l’absorbance UV, de la température, de la turbidité et du pH. Il agit à titre de capteur virtuel de COD et permet de rendre compte de l’efficacité de l’enlèvement de la matière organique naturelle par les étapes de coagulation, floculation et décantation. Les concentrations en COD prédites par le modèle 3 diffèrent en moyenne de 13,2% de celles réelles. Enfin, le quatrième modèle permet de prédire la concentration en COD à l’eau décantée à partir de l’absorbance UV (254 nm) à l’eau brute plutôt que du COD. Les concentrations prédites par ce dernier diffèrent en moyenne de 10,9% de celles réelles. La base de données utilisée pour l’ajustement des modèles 2, 3 et 4 comprend une année de suivi de COD et d’absorbance UV (eaux brute et décantée) à raison de 2 mesures par jour et les données d’opération récoltées en continu pour la même période. Les performances des quatre modèles sont présentées et discutées en fonction de leur implantation possible à l’usine et des améliorations pouvant leur être apportées. De tous les modèles développés, le seul qui pourrait être implanté à court terme est le modèle 1. En effet, les modèles 2, 3 et 4 sont préliminaires et devraient être mis à jour à partir de bases de données plus grandes comprenant davantage de périodes de variations et rendre de meilleures performances avant de pouvoir être implantés en usine. Les modèles développés pourraient être intégrés afin de permettre aux opérateurs de choisir le dosage de coagulant à appliquer qui permettrait de faire un compromis entre les différents objectifs du procédé de coagulation. Cela pourrait améliorer encore davantage la qualité de l’eau produite. / The coagulation process is the first step of the conventional drinking water treatment chain. It is an important treatment step since it affects the efficiency of the subsequent treatment steps namely flocculation, settling, filtration and disinfection. It is relevant to develop decision aid tools to assist operators in the choice of the coagulant dose. This project aims at developing such tools. More specifically, the objective of the study was to provide tools for the operators of the Sainte-Foy water treatment plant to help them in choosing the appropriate aluminum sulphate dose (alum). As part of this project, three tools were developed: a model for the prediction of the coagulant dose, two models for the prediction of dissolved organic carbon (DOC) concentration of settled water and a virtual sensor which allows predicting DOC concentration of raw and settled waters. All models are neural network models. The first model allows the prediction of the alum dosage by mimicking the good previous operation performed at the plant in terms of turbidity reduction. The input variables of the model are the month, the conductivity, temperature, turbidity and pH of raw water. The model was developed from operation data collected every 5 minutes during 4 years (378 535 data sets). Dosages predicted vary by an average of 5,9% of those actually applied. The second model allows the prediction of the DOC of the settled water. The input variables are the UV absorbance and DOC of raw water, pH of coagulation and alum dosage applied. Performances of the second model are compared with those obtained from two others empirical models (from the literature) that allow the prediction of the DOC of the settled water. Compared to these models, the second neural model gives better prediction performance. DOC concentrations predicted by the second model vary by an average of 9,6% of those actually measured. The third model allows the prediction of the DOC of raw and settled water. The input variables are the UV absorbance, temperature, turbidity and pH. The model acts as a virtual sensor of DOC concentration and allows the evaluation of the removal efficiency of natural organic matter by the coagulation, flocculation and settling steps. DOC concentrations predicted by the third model vary by an average of 13,2% of those actually measured. Finally, the fourth model allows the prediction of the DOC of settled water from UV absorbance of raw water instead of DOC. Concentrations predicted by that model vary by an average of 10,7% of those actually measured. The database for the adjustment of the second, third, and fourth models includes one year of DOC and UV absorbance monitoring at raw and settled water performed twice daily and operation data continuously collected. The models performances are presented and discussed according to their implementation and use in the treatment plant. A way to improve developed models is also described. Actually, only the first model could be implemented on a short term basis. Models 2, 3 and 4 are actually preliminary models that would need to be updated with larger databases including more variation periods before implementation. Developed models could be integrated to allow the operators to choose the alum dosage that can afford to make a compromise between the different objectives of the coagulation process. This could further improve the treated water quality.

Cette thèse traite de la trajectographie exo-atmosphérique d'un lanceur. Cette probl ématique repose sur la résolution d'un problème d'optimisation contraint : le problème aux deux bouts. Ce dernier consiste à trouver les actions à prendre afin d'atteindre la position et la vitesse désirées en consommant le moins d'énergie possible. Ces actions doivent respecter les contraintes imposées par la dynamique et la structure du véhicule. En plus, dans le cas d'un lanceur, le contrôle s'effectue uniquement en modifiant l'orientation de la poussée. Pour résoudre ce problème, le projet de doctorat est divisé en trois parties distinctes : la modélisation de la dynamique, l'obtention d'une trajectoire de référence et la fonction de guidage. La première partie, la modélisation, consiste à obtenir un modèle précis et réaliste de la dynamique de translation d'un lanceur. Elle passe donc par l'application de la seconde loi de Newton sur le centre de masse du lanceur. Dans cette thèse, ceci est effectué en utilisant trois représentations différentes, dont une nouvelle utilisant un quaternion qui permet de combler le vide entre les deux représentations existantes. À la suite de l'obtention d'un modèle du véhicule à guider, il devient possible de définir une trajectoire de référence régie par cette dynamique. Pour y parvenir, ce projet propose une optimisation directe où l'orientation de la poussée est discrétisée et correspond aux inconnues du problème d'optimisation. Le critère de ce problème d'optimisation inclut des termes utilisant des connaissances a priori de la trajectoire pour améliorer les propriétés de convergence. Le problème d'optimisation inclut également des contraintes, relaxées par des variables d'écart, sur l'orbite d'injection. La trajectoire résultante est utilisée comme consigne dans une fonction de guidage par suivi de trajectoire. Le suivi de trajectoire est une façon contournée de traiter le problème aux deux bouts et d'accélérer la résolution du problème de guidage afinn de s'insérer dans les capacités de calcul embarqué. Les algorithmes développés dans cette thèse sont basés sur la commande prédictive où les sorties du modèle prédictif sont les paramètres orbitaux instantanés de la trajectoire. Le premier algorithme utilise un modèle non-linéaire de prédiction alors que les deux autres sont basés sur une représentation linéaire variante dans le temps et sur une représentation linéaire fractionnelle. Ces trois algorithmes sont comparés à une solution classique en guidage de lanceur qui résout directement le problème aux deux bouts. Bien que les algorithmes développés produisent une orbite plus près de celle désirée et y parviennent en consommant moins de carburant, le temps de calcul nécessaire à leur résolution et leur piètre robustesse font en sorte qu'ils ne constitue pas une alternative intéressante à la solution de référence. / This thesis deals with the exo-atmospheric trajectory of a space launcher. The solution is obtained by solving a constrained optimization problem : the two-point boundary value problem. The solution is the required actions to reach the desired position and velocity while consuming the least energy as possible. These actions must comply with the constraints imposed by the dynamics and the structure of the vehicle. Also, for a space launcher, the control is limited to the thrust orientation. To solve this problem, this project is divided into three distinct parts : modeling the dynamics, obtaining a reference trajectory and the guidance function. The first part, the modeling, is the definition of an accurate and realistic model of the space launcher translational dynamics. Therefore, it requires the application of Newton's second law on the launcher center of mass. In this thesis, this is carried out using three different representations. The representation using a full quaternion is new to this field of application and fills the hole between the two others. With the model of the vehicle to be guided, it becomes possible to define a reference trajectory governed by this model. To do it, this project proposes a direct optimization where the thrust orientation is discretized and becomes the unknown of the optimization problem. The criterion of this optimization problem includes terms for a priori knowledge of the trajectory improving the convergence properties of the optimization. The optimization problem also includes constraints, relaxed by slack variables, on the injection orbit. The resulting trajectory is used as reference in a trajectory tracking guidance function. The trajectory tracking is a way to circumvent the resolution of the two-point boundary value problem, which accelerates the resolution to fit in on-board computing capabilities. The algorithms developed in this thesis are based on predictive control in which the outputs of predictive model are the instantaneous orbital parameters of the trajectory. A first algorithm uses a non-linear model for prediction while two others are rather based on a linear time-varying representation and a linear fractional representation. These three algorithms are compared to a conventional space launcher guidance solution, which directly solves the two-point boundary value problem. Even if the developped algorithms give a more accurate orbit and a less consuming trajectory, their computationnal time and poor robustness properties do not make them a viable alternative to the comparison solution.

Les colonnes de flottation jouent un rôle important dans le processus de séparation des minéraux. Dans ce contexte, le comportement des variables hydrodynamiques à l'intérieur de celles-ci est étroitement lié aux performances métallurgiques de l'unité. Par conséquent, la commande de ces variables est un objectif préalable à la mise en place d'une stratégie d'optimisation en temps réel. Le but du projet est la commande de variables hydrodynamiques d'une colonne pilote de flottation pour un fonctionnement à trois phases en laboratoire ainsi qu'en usine (Mine Agnico-Eagle, division Laronde). Les variables considérées sont : le taux de rétention de gaz dans la zone de collecte, la fraction d'eau de lavage sous l'interface et la profondeur d'écume. Ces variables sont estimées à l'aide de mesures de conductivité électrique. Elles sont commandées en manipulant les débits de gaz, d'eau de lavage et de rejet. Des tests d'identification à des conditions nominales de fonctionnement conduisent à un modèle représentatif du système. La profondeur d'écume est commandée par un régulateur proportionnel-intégral, alors que les autres variables sont régulées par une stratégie de commande multivariable prédictive avec contraintes. Les résultats obtenus en laboratoire et en usine ont permis de confirmer le potentiel d'inclure ces algorithmes dans une stratégie d'optimisation en temps réel d'une colonne industrielle.

Ce mémoire a pour principal objectif d’identifier des concepts de commande d’attitude et de guidage en boucle ouverte pour supporter le développement éventuel d’un lanceur canadien pouvant effectuer la mise en orbite de microsatellites. Une revue de la littérature des différents systèmes impliqués dans l’asservissement d’un lanceur est présentée. Cette revue a permis de cibler les principales difficultés rencontrées pour la commande d’attitude des lanceurs, ainsi que certaines pistes de solutions. Ces difficultés sont principalement la flexion et le ballottement des ergols. Les équations de mouvement de l’attitude d’un lanceur à corps rigide en fonction de l’angle de braquage d’une tuyère sont décrites. Des régulateurs qui stabilisent et asservissent le lanceur flexible en vitesse angulaire et en position angulaire sur le simulateur Simulink® à six degrés de liberté du RDDC Valcartier sont développés. Pour finir, deux techniques de guidage sont expliquées et testées en présence de diverses perturbations. / This memoir’s main objective is to identify concepts of attitude control and open loop guidance to support the eventual development of a Canadian launcher, capable of orbiting microsatellites. A literature review of various systems involved in the stabilization of the launcher is presented. This review pinpointed the main difficulties met for attitude control of launch vehicles, as well as some possible solutions. Those are mainly the bending and sloshing of propellant. The attitude equations of motion for a rigid body launcher as a function of the steering angle of a nozzle are described. Controllers that stabilize and control the flexible launcher angular velocity and angular position on the six degrees of freedom DRDC Valcartier Simulink® simulator are devellopped. Finally, two techniques for guidance are explained and tested in presence of various perturbations.

Ce mémoire traite du développement d'une cellule robotisée de soudage par friction malaxage de l'aluminium pour le Centre de recherche industrielle du Québec. La technologie du soudage par friction malaxage comporte plusieurs avantages par rapport au soudage traditionnel de l'aluminium à l'arc électrique. C'est un procédé qui consomme peu d'énergie, qui ne dégage aucune fumée ou gaz toxique et qui ne nécessite aucun métal d'apport. De plus, les soudures réalisées ont de meilleures propriétés mécaniques car le matériau n'atteint pas le point de fusion. Ce procédé permet par surcroît de souder des séries d'aluminium réputées comme difficilement soudables par d'autres techniques. À ce jour, on utilise principalement des machines dédiées de type portique pour effectuer ce genre de soudure. Cela a l'avantage d'une grande rigidité (requise pour ce procédé) mais d'un autre côté, il est souvent impossible de réaliser des soudures de trajectoires complexes avec ce type d'équipement. Pour cette raison, la robotisation du procédé ouvrirait la porte à de multiples applications nouvelles pour cette technologie. Bien que certains groupes se soient déjà penchés sur la question, les solutions robotisées commercialement disponibles sont très rares à ce jour et en sont à leurs premiers pas. Pour arriver à robotiser le procédé, il a d'abord fallu concevoir une tête de soudage adaptable au robot. On a également dû compenser le manque de rigidité de ce dernier. Pour ce faire, une méthode de contrôle en force a été développée. En bout de ligne, on a pu effectuer des soudures par friction malaxage robotisé sur des trajectoires linéaires, rectangulaires et tridimensionnelles. La qualité des soudures a été comparée à d'autres effectuées sur une fraiseuse, un équipement beaucoup plus rigide.

Un manipulateur parallèle à câbles possède des caractéristiques intéressantes comme sa vitesse de mouvement, sa légèreté et son faible coût. Ces avantages sont renforcés en utilisant le sous-actionnement, qui permet de diminuer le coût et la complexité du mécanisme. En revanche, sa commande est plus complexe car elle doit tenir compte des propriétés dynamiques du manipulateur. Afin de concevoir un robot spatial sous-actionné et entraîné à l'aide de câbles, il faut d'abord arriver à contrôler une version plane du manipulateur. Le mécanisme étudié dans ce mémoire est un robot principalement basé sur un mécanisme à quatre barres, dont deux barres (les câbles) sont de longueur variable, et dont toutes les liaisons rotoïdes sont libres. En fait, ce robot peut rejoindre une position et une orientation (trois degrés de liberté) prescrite en contrôlant uniquement la longueur des deux câbles et en exploitant les équations dynamiques. La première étape est de compléter des analyses géométrique, cinématique et dynamique. Les équations ainsi obtenues sont vérifiées à l'aide d'un simulateur permettant de prédire le comportement du robot. Ensuite, un algorithme de planification de trajectoire est basé sur la nature oscillatoire du mécanisme, en optimisant les trajectoires des câbles pour que la variable libre rejoigne l'objectif à la fin de chaque oscillation. La stratégie de commande est finalement élaborée et testée sur un robot virtuel, avant d'être utilisée sur un prototype. Les résultats en simulation ainsi qu'expérimentaux sont présentés pour diverses trajectoires, démontrant ainsi les capacités du manipulateur étudié. La commande ainsi développée s'est révélée très précise, rapide et robuste à des erreurs de diverses natures.

Le problème de la commande sans capteur mécanique de la machine synchrone à aimants permanents (MSAP) est un problème très étudié dans le domaine de l'automatique et de l'électrotechnique. Le travail présenté s'intéresse au problème particulier de la commande sans capteur à basse vitesse des MSAP à pôles lisses. L'objectif est de proposer une méthode permettant de contrôler en position un actionneur électromécanique utilisé dans un contexte aéronautique (ici pour des ailerons). Une étude théorique des deux familles de machines, saillantes et non saillantes, a permis de montrer une différence d'observabilité des modèles de la MSAP selon la vitesse de la machine, avec en particulier une perte d'observabiltié à basse vitesse pour les machines à pôles lisses. Pour pallier cette perte, de nouveaux modèles sont développés, qui prennent en compte des vibrations de la machine, sollicitée par une injection de signaux. Une nouvelle analyse, appliquée à ces modèles, permet de garantir l'observabilité de la machine sur toute la gamme de vitesse, y compris à l'arrêt. Nous avons donc proposé une approche d'observation de la position et de la vitesse basée sur ces nouveaux modèles avec une injection bien choisie. Contrairement aux méthodes classiques basées sur la saillance, cette approche est applicable à tous les types de machine. Elle a été validée sur plusieurs bancs d'essais par l'application d'un observateur de Kalman étendu. De nombreux tests ont été réalisés sur un benchmark dédié aux applications industrielles. Les résultats ont montré les performances, la robustesse et les limites des observateurs proposés. Nous nous sommes également intéressés à l'asservissement en vitesse sans capteur mécanique de la machine, pour lequel nous avons proposé deux méthodes de synthèse d'observateurs. La première est basée sur la synthèse d'un observateur LPV robuste par approche polytopique. La seconde utilise un observateur à modes de glissement d'ordre deux à gains adaptatifs. La faisabilité expérimentale de ces deux observateurs a été démontrée.