Le mélange de poudres est une opération essentielle dans divers domaines industriels, tels que les produits pharmaceutiques, agro-alimentaires, ciments, etc. Le mélange de poudres en continu, comme alternative intéressante au mélange conventionnel en batch, suscite beaucoup d'intérêt surtout en raison de sa capacité à gérer de grands volumes de production. Ce travail vise à contribuer à l'implémentation des applications de contrôle-commande. Avant de développer des stratégies de contrôle-commande, de nouveaux développements ont été présentés pour mieux comprendre le mélange continu de deux composants. La masse retenue et la répartition relative de la masse retenue de chaque composant dans le mélangeur ont été étudiées et prédites sous les différentes conditions opératoires. L'amélioration d'un modèle basé sur les chaînes de Markov a été finalement présentée pour prédire la concentration moyenne des mélanges obtenus à la sortie du mélangeur. L'implémentation d'un contrôleur PID a été expérimentalement réalisée comme une première tentative pour contrôler en temps réel l'homogénéité du mélange produit. La vitesse de rotation du mobile d'agitation, identifiée comme un facteur important influençant l'efficacité du mixer, a été considérée comme la variable manipulée. La commande en boucle fermée est basée, soit sur la concentration moyenne, soit sur le coefficient de variation. Les performances des boucles fermées proposées ont été évaluées pour le mélange continu subi à des changements d'échelon dans les débits d'alimentation du mélangeur. Quatre études de cas ont été définies et présentées. Le défi principal dans le système de contrôle-commande est le réglage des paramètres PID. La performance de commande en boucle fermée soit de la concentration moyenne, soit du coefficient de variation a été comparée à l'opération en boucle ouverte. / Powder mixing is an essential operation in various industrial fields, such as pharmaceuticals, agro-food, cements, etc. Continuous powder mixing, as an alternative to conventional batch mixing, has attracted a lot of interest mainly due to its capacity in handling high volume manufacturing. This work aims at the contribution to the implementation of process control applications for powder mixing in a pilot-scale continuous mixer. Prior to developing process control strategies, new developments have been presented for better understanding continuous mixing of two components. Hold-up weight and relative hold-up weight distribution of each component in the whole mixer have been experimentally investigated under different operating conditions. An improved Markov chain model has been finally presented to predict the mean concentration of the mixtures obtained at the mixer's outlet. The implementation of a proportional-integral-derivative (PID) controller has been experimentally performed as an initial attempt to real-time control the homogeneity of the mixture produced. The rotational speed of the stirrer, identified as an important deciding factor towards the mixer's efficiency, has been considered as the manipulated variable. The closed-loop control is based on either the mean concentration or the relative standard deviation. The performances of the proposed closed-loops have been evaluated for continuous mixing subjected to step changes in feed rates of the mixer. Four case studies have been defined and presented. The main challenge in the process control system is the tuning of PID parameters. The performance of closed-loop control of either the mean concentration or the relative standard deviation has been compared to open-loop operation.

Dans les travaux existants, les analyses basées sur les modèles de la Sûreté de Fonctionnement (SdF) d'un système automatisé sont généralement focalisées uniquement sur la partie procédé. Aussi, les stratégies de reconfiguration du procédé - réalisées par le contrôle-commande - ne sont souvent pas modélisées, sinon de manière imprécises et sans échec possible. Pourtant, ces stratégies ont un impact certain sur la SdF du système bouclé, qui doit être pris en compte dans les modèles afin d'améliorer la pertinence des analyses. Le travail dont rend compte cette thèse contribue à la modélisation et à l'analyse de la SdF des systèmes dynamiques, réparables et reconfigurables. Premièrement, un nouveau formalisme de modélisation est proposé pour prendre en compte avec précision les différentes stratégies de reconfiguration du système avec leurs possibles échecs. Ce formalisme développe et généralise le principe des BDMP (Boolean logic Driven Markov Processes en anglais), auxquels il associe des machines de Moore afin de spécifier formellement les stratégies de reconfiguration. Dans un second temps, deux techniques d'analyse basées sur un modèle GBDMP (BDMP Généralisé) sont décrites. Ces techniques permettent d'obtenir un résultat qualitatif : l'ensemble des plus courtes Séquences de Coupe Minimales (SCM), ainsi qu'un résultat quantitatif : indicateur probabiliste de la disponibilité du système. Finalement, la modélisation GBDMP et l'analyse de SdF basée sur un modèle GBDMP sont expérimentées sur un cas d'étude représentatif de plusieurs problématiques industrielles liées au secteur de la production d'énergie électrique. / Existing works on Model Based Safety Analysis of an automated system generally focus on the process part. Process reconfiguration strategies that are driven by the control are often modeled without failure and with a lack of accuracy. However these strategies have a real impact on the safety of the closed-loop system. In order to improve the relevance of analysis, this impact has to be captured in models. This thesis contributes to modeling and analysis of dynamic repairable reconfigurable systems. Firstly a new modeling formalism is proposed to relevantly take into account different reconfiguration strategies that can fail. This formalism develops and generalizes the principle of Boolean logic Driven Markov Processes (BDMP), and enriches it with Moore machine for formally specifying reconfiguration strategies. In a second stage, two analysis techniques based on a Generalized BDMP (GBDMP) model are described. These techniques allow to obtain a qualitative result: the set of shortest Minimal Cut Sequences (MCS), and a quantitative result: probabilistic indicator of system availability. Finally, a case study coming from the electric power production field is addressed. This case study shows how several industrial problems can be solved in GBDMP framework.

L'augmentation envisagée de la pénétration des unités de production d'énergies décentralisées raccordées au réseau de distribution amène à revoir l'architecture physique et algorithmique de ce dernier. En effet, une insertion massive avec le schéma de réseau tel qu'il apparaît aujourd'hui, impliquera des problèmes au niveau du plan de tension, du schéma de protection, voire de la stabilité. L'électronique de puissance trouve là un champ fertile d'applications notamment pour tout ce qui est de la régulation de la circulation des flux énergétiques et du réglage du plan de tension. Les travaux menés dans cette thèse ont trait à une solution d'électronique de puissance de type série qui est à même de régler les transits de puissances active et réactive. Ce système permet également, sans modification de son architecture, de limiter les courants de court circuit. Le réseau envisagé pour l'étude est de type bouclé ou maillé ce qui préfigure la tendance des réseaux du futur. Les travaux théoriques relatifs aux différents niveaux de contrôle-commande ont été confrontés à l'expérimental avec succès. Le plan d'expérimentation consiste en une simulation temps réel hybride avec le compensateur réel et le réseau émulé et interfacé par de la puissance.

La problématique de recherche abordée dans ce mémoire de thèse découle de l’étude approfondie d’une association convertisseur-machine dédiée aux modes traction et recharge d’un véhicule électrique. Il s’agit d’un onduleur triphasé constitué de trois onduleurs monophasés connectés à une machine triphasée à phases indépendantes.Dans le chapitre II, une étude comparative entre deux solutions industrielles montre que l’architecture étudiée offre des caractéristiques compétitives notamment en termes de rendement global du convertisseur, performances mécaniques, et surface de silicium nécessaire.Par ailleurs, outre la possibilité de mutualiser les trois fonctions du véhicule que sont la traction, la recharge (rapide ou lente) et l’assistance du réseau électrique, cette topologie offre plusieurs atouts : des possibilités variées d’alimentation et donc un potentiel intéressant de reconfiguration en marche dégradée. La thématique abordée dans les chapitres III et IV est donc centrée sur l’optimisation des stratégies de contrôle de cette structure vis-à-vis de deux types de défauts : les imperfections intrinsèques du système d’une part et les défaillances accidentelles d’autre part.Dans un premier temps, un travail approfondi sur les méthodes de modulation de largeur d’impulsion a permis de synthétiser une stratégie offrant une faible sensibilité vis-à-vis des imperfections de la commande et de la non-linéarité du convertisseur. Dans un second temps, il a été montré qu’en cas de défaillance d’un composant à semi-conducteur, il était obligatoire de recourir à la reconfiguration matérielle de la topologie. L’architecture permettant la continuité de service a été étudiée du point de vue de sa commande. Son analyse nous a amenés à proposer une structure de contrôle basée sur des solutions automatiques simples et efficaces. Finalement, le principe du fonctionnement en marche dégradée a été étendu au fonctionnement normal dans le but d’en améliorer le rendement sur cycle. / This Ph.D. thesis focuses on a novel combination of a frequency converter and an electric machine specially dedicated to traction drive and battery recharging modes of an electric vehicle (EV). This power architecture is composed of a six legs voltage inverter connected to a three-phase open-end winding machine. Chapter II details a quantitative comparison between two industrial power architectures and concludes that the SOFRACI powertrain is a competitive solution in terms of power converter efficiency, drive mechanical performances, and required silicon area.This architecture offers the attractive possibility of combining three important functions: traction and braking, battery charging and connecting the energy storage to a smart grid. In addition, this topology offers several advantages such as various motor feeding possibilities and a high degree of reconfiguration in degraded operating mode. The third and fourth chapters of this thesis concern the optimization of control strategies with regard to two types of faults: firstly the inherent imperfections in the converter itself (non modeled non-linearity and ineffective synchronization of control values) and secondly accidental failures. In the first case, an analysis of the pulse width modulation (PWM) methods enables the creation of a PWM strategy with a very low sensitivity to PWM uncertainties and the non-linear behavior of the power converter.In the second case, in the event of a faulty semiconductor device, it is shown that a hardware reconfiguration is required to enable an emergency traction mode. The sustainability of the traction mode is then examined with respect to the control strategy. This analysis leads to an innovative control structure based on basic and easy to implement solutions. Finally, the degraded mode operation principles have been extended to normal mode operation for the purpose of enhancing the cycle efficiency.

L’objectif principal de cette thèse est l’étude de propriétés dynamiques et de méthodes de conception et synthèse des algorithmes de contrôle-commande des systèmes dans le cas où les fonctions de mesures, actionnements et contrôles sont distribuées sur des organes de calcul pouvant être partagés avec d’autres applications et connectés sur un réseau de communication numérique. En conséquence, les boucles de contrôle sont en compétition avec d’autres applications pour accéder aux ressources de calcul et de communication de capacité limitée et gérées par des politiques spécifiques. Ceci provoque l’apparition de délais et de perte d’informations transmises entre les différents nœuds qui peuvent dégrader les performances des systèmes et conduire à leur instabilité.Dans une première partie de la thèse, nous avons étudié l’analyse des performances de certains systèmes ainsi que la conception de contrôleurs robustes en fonction de la qualité de service fournie par le réseau. Cette étude a permis de spécifier les règles de conception de contrôleurs.Dans la deuxième partie, nous avons présenté une approche de conception conjointe intégrant les résultats obtenus dans les deux domaines: la synthèse et la conception des algorithmes de contrôle et l’ordonnancement de tâches temps réel qui partagent des ressources limitées. La technique proposée repose sur le changement de la période d’activation de l’algorithme de contrôle, et en conséquence le modèle du système devient un modèle échantillonné à taux variable. Les résultats proposés, en considérant l’algèbre de Lie des matrices d’évolution, permettent de calculer des contrôleurs adaptifs aux périodes qui stabilisent tous le système / The main contributions of this thesis are related to the analysis, synthesis and design of control systems sharing communication and computational resources. The research focuses on control systems where the feedback loops are closed over communication networks which transmit the information provided to its nodes by sensors, actuators and controllers. The shared resource in this scenario is the network. Some of the results are valid when the resource is a processor locally placed respect to several controller executing their algorithms on it. In any of the preceding scenarios, the control loops must contend for the shared resource. The limited capacity of the resource can cause delays and packet losses when information is transmitted. These effects can degrade the control system performance and even destabilize it.The first part of this thesis contributes to the performance analysis of specific classes of systems and to the design of robust controllers for network characteristics modeled by Quality of Service parameters. A series of methods to assist the control systems engineer are provided.In the second part, a contribution to the CoDesign approach is made via the integration of control system synthesis and design techniques with rules allowing to define the communication policy to manage real-time tasks sharing a limited resource. Putting in correspondence a scheduling of instances of the controller tasks with their sampling periods, the proposed policy results in discrete-time varying systems. The stabilization problem of these systems is solved with methods based on the solvability of Lie-algebras. Specifically, the proposed methodology provides adaptive controllers

Les systèmes de contrôle-commande industriels (Industrial Control System, ICS) sont des infrastructures constituées par un ensemble de calculateurs industriels reliés en réseau et permettant de contrôler un système physique. Ils assurent le pilotage de réseaux électriques (Smart Grid), de systèmes de production, de transports, de santé ou encore de systèmes d’armes. Pensés avant tout pour assurer productivité et respect de la mission dans un environnement non malveillant, les ICS sont, depuis le 21ème siècle, de plus en plus vulnérables aux attaques (Stuxnet, Industroyer, Triton, …) notamment avec l’arrivée de l’industrie 4.0. De nombreuses études ont contribué à sécuriser les ICS avec des approches issues du domaine de la sécurité (cryptographie, IDS, etc…) mais qui ne tiennent pas compte du comportement du système physique et donc des conséquences de l’acte de malveillance en lui-même. Ainsi, une sécurisation se limitant exclusivement à l’analyse des informations qui transitent sur un réseau industriel n’est pas suffisante. Notre approche amène un changement de paradigme dans les mécanismes de détection en y intégrant la modélisation du comportement du système cyber-physique.Cette thèse propose des mécanismes de détection d’attaques en se positionnant au plus proche de la physique. Ils analysent les données échangées entre le système de contrôle-commande et le système physique, et filtrent les échanges au travers de modèles déterministes qui représentent le comportement du système physique soumis à des lois de commande. A cet effet, une méthodologie de conception a été proposée dans laquelle l’ensemble des ordres est identifié afin de détecter les attaques brutales. Pour faire face aux autres attaques, en particulier celles plus sournoises, comme les attaques par séquences, nous proposons une stratégie de détection complémentaire permettant d’estimer l’occurrence d’une attaque avant que ses conséquences ne soient destructives. A cet effet, nous avons développé des concepts de distance d’un état caractérisé comme critique auquel nous avons adjoint un second mécanisme dit de trajectoire dans le temps permettant de caractériser une intention de nuire.L’approche proposée hybride ainsi deux techniques orientées sécurité (sonde IDS) et sûreté (approche filtre) pour proposer une stratégie de détection basée sur quatre mécanismes lié :• A la détection de contexte : basé sur l’état courant de l’ICS, un ordre émis par l’API peut être bloqué s’il conduit vers un état critique (attaque brutale).• Aux contraintes combinatoires (attaque par séquences) : vérifiées par les concepts de distance et de trajectoire (évolution de la distance).• Aux contraintes temporelles (attaque temporelle) : vérifiées par des fenêtres temporelles sur l’apparition d’évènements et d’indicateurs surveillant la durée moyenne d’exécution.• Aux sur-sollicitations basées sur un indicateur surveillant les commandes envoyées afin de prévenir un vieillissement prématuré (attaque sur les équipements).L’approche proposée a été appliquée sur différents exemples de simulation et sur une plateforme industrielle réelle où la stratégie de détection a montré son efficacité face à différents profils d’attaquant. / Industrial Control Systems (ICSs) are infrastructures composed by several industrial devices connected to a network and used to control a physical system. They control electrical power grid (Smart Grid), production systems (e.g. chemical and manufacturing industries), transport (e.g. trains, aircrafts and autonomous vehicles), health and weapon systems. Designed to ensure productivity and respect safety in a non-malicious environment, the ICSs are, since the 21st century, increasingly vulnerable to attacks (e.g. Stuxnet, Industroyer, Triton) especially with the emergence of the industry 4.0. Several studies contributed to secure the ICS with approaches from the security field (e.g. cryptography, IDS) which do not take into account the behavior of the physical system and therefore the consequences of the malicious act. Thus, a security approach limited exclusively to the analysis of information exchanged by industrial network is not sufficient. Our approach creates a paradigm shift in detection mechanisms by integrating the behavioral modeling of the cyber-physical system.This thesis proposes detection mechanisms of attacks by locating detection closer to physical system. They analyze the data exchanged between the control system and the physical system, and filter the exchanges through deterministic models that represent the behavior of the physical system controlled by control laws. For this purpose, a design methodology has been proposed in which all actions are identified in order to instantly detect brutal attacks. To deal with other attacks, especially the more sneaky, such as sequential attacks, we propose a complementary detection strategy to estimate the occurrence of an attack before its consequences are destructive. To this end, we have developed the concepts of distance of a state identified as critical to which we have added a second mechanism called trajectory which leads to a temporal notion that characterize an intention to harm.As part of this thesis, the proposed approach combines two techniques oriented security (IDS probe) and safety (filter approach) to propose a detection strategy based on four mechanisms related to:• Context detection: based on the current state of the system, an order sent by the PLC can be blocked by the control filter if it leads to a critical state (brutal attack).• Combinatorial constraints (sequential attack): verified by the concepts of distance (risk indicator for the current state) and trajectory (indicator of the intention to harm by studying the evolution of the distance on a sequence).• Temporal constraints (temporal attack): verified by time windows on the appearance of events and an indicator monitoring the average duration of execution.• Over-solicitation monitoring mechanism: based on an indicator monitoring orders sent to the actuators to prevent premature ageing of the production equipment (attack on the equipment).The proposed approach has been applied to various simulation examples and an industrial platform where the detection strategy has shown its effectiveness against different scenarios corresponding to attacker profiles.

On est confrontés au présent avec un système électrique en pleine mutation grâce principalement à l'ouverture des marchés d'énergie électriques, à l'évolution des technologies, à la diminution des ressources disponibles, ainsi qu'aux changements climatiques. Afin de pallier les problèmes engendrés par ces changements, des mesures doivent être prises à tous les niveaux du système électrique : génération, transport et utilisation. Néanmoins, ces mesures ne sont pas toujours compatibles entre elles et, à cause de leur caractère innovant, elles nécessitent des outils d'étude de plus en plus puissants et adaptés aux différents dynamiques mises en jeu et à leur multiplicité. Les travaux présents proposent et analysent l'utilisation d'un simulateur temps-réel hybride (en puissance ou non) afin de faire face à ces besoins complexes.

Les enjeux environnementaux, énergétiques et économiques actuels, nous amènent à proposer de nouvelles solutions de gestion énergétique afin d'éviter d'entrer dans une ère de récession énergétique brutale. À partir des constats établis par les institutions mondiales, telles que le GIEC, il est aujourd'hui admis par la communauté scientifique internationale, que la température moyenne de la Terre est en augmentation et que l'activité anthropique en est une des causes, sinon la plus importante. Les travaux réalisés et présentés dans ce manuscrit visent à répondre, en partie, à ces problématiques par la mise en place d'un système de contrôle supervisé permettant l'optimisation de la gestion énergétique d'un procédé hybride alliant l'énergie solaire à la géothermie, et destiné au chauffage dans le secteur du bâtiment. L'utilisation des méthodologies de l'intelligence artificielles telles que le neuroflou et la logique floue nous a permis de développer une plateforme de simulation d'un système énergétique hybride et d'en réaliser la gestion à l'aide de contrôleurs flous. Les résultats obtenus, par l'utilisation de ces contrôleurs, montrent qu'un choix judicieux des périodes et durées de marche du système d'extraction permet d'améliorer de façon significative le fonctionnement du procédé. La consommation électrique et le coût de fonctionnement de l'installation sont donc diminués, tout en respectant les contraintes techniques de fonctionnement et le confort thermique des habitants.

La problématique de recherche abordée dans ce mémoire de thèse découle de l'étude approfondie d'une association convertisseur-machine dédiée aux modes traction et recharge d'un véhicule électrique. Il s'agit d'un onduleur triphasé constitué de trois onduleurs monophasés connectés à une machine triphasée à phases indépendantes. Dans le chapitre II, une étude comparative entre deux solutions industrielles montre que l'architecture étudiée offre des caractéristiques compétitives notamment en termes de rendement global du convertisseur, performances mécaniques, et surface de silicium nécessaire. Par ailleurs, outre la possibilité de mutualiser les trois fonctions du véhicule que sont la traction, la recharge (rapide ou lente) et l'assistance du réseau électrique, cette topologie offre plusieurs atouts : des possibilités variées d'alimentation et donc un potentiel intéressant de reconfiguration en marche dégradée. La thématique abordée dans les chapitres III et IV est donc centrée sur l'optimisation des stratégies de contrôle de cette structure vis-à-vis de deux types de défauts : les imperfections intrinsèques du système d'une part et les défaillances accidentelles d'autre part. Dans un premier temps, un travail approfondi sur les méthodes de modulation de largeur d'impulsion a permis de synthétiser une stratégie offrant une faible sensibilité vis-à-vis des imperfections de la commande et de la non-linéarité du convertisseur. Dans un second temps, il a été montré qu'en cas de défaillance d'un composant à semi-conducteur, il était obligatoire de recourir à la reconfiguration matérielle de la topologie. L'architecture permettant la continuité de service a été étudiée du point de vue de sa commande. Son analyse nous a amenés à proposer une structure de contrôle basée sur des solutions automatiques simples et efficaces. Finalement, le principe du fonctionnement en marche dégradée a été étendu au fonctionnement normal dans le but d'en améliorer le rendement sur cycle.

Devant l’augmentation de la part des énergies renouvelables en France, cette thèse propose d’étudier l’augmentation de la flexibilité des réacteurs à eau pressurisée en croisant deux disciplines pour, chacune, atteindre des objectifs complémentaires : l’Ingénierie Système (IS) et l’Automatique.Dans le contexte de l’ingénierie de systèmes complexes et du Model Based Systems Engineering, ce travail propose dans un premier temps une méthode de conception se fondant sur les principes normatifs de l’IS et respectant les habitudes et les pratiques courantes en ingénierie de Framatome. Cette méthode a pour vocation de formaliser et assurer le passage des exigences aux architectures et d’améliorer les capacités de vérification des modèles développés lors de la conception. Elle s’organise autour de langages de modélisation interopérables, couvrant l’ensemble des processus promus par l’IS. La méthode proposée est appliquée sur le système dont les performances sont les plus limitantes dans le contexte de l’augmentation de flexibilité : le Core Control. Ce composant algorithmique du réacteur assure le contrôle des paramètres de fonctionnement du cœur : la température moyenne, la distribution axiale de puissance et la position des groupes de grappes.La thèse propose ensuite des contributions techniques relevant du champ de l’Automatique. Il s’agit de concevoir un système de régulation répondant aux exigences issues de la formalisation IS évoquée ci-dessus. La solution proposée repose sur une stratégie de commande hiérarchisée, utilisant la complémentarité des approches dites de commande multi-objectif, de séquencement de gains et enfin de commande prédictive. Un modèle de réacteur nucléaire simplifié innovant est développé à des fins de conception du système de régulation et de simulations intermédiaires. Les résultats obtenus ont montré les capacités d’adaptation de la démarche proposée à des spécifications diverses. Les performances atteintes sont très encourageantes lorsque évaluées en simulation à partir d’un modèle réaliste et comparées à celles obtenues par les modes de pilotages classiques. / In the event of increasing renewable energies in France, this thesis proposes to study the flexibility increase of pressurized water reactors (PWR) throughout two different engineering disciplines aiming at complementary objectives: Systems Engineering (SE) and Control theory.In a first phase, within the frame of complex systems design and Model Based Systems Engineering, this work proposes a SE method based on SE standard principles and compliant with Framatome’s practices and addressing the revealed issues. This SE contribution is twofold: formalize and ensure the path from requirements to system architectures and enhance the capabilities of models verification. The method revolves around interoperable modeling languages, covering the SE processes: from requirement engineering to system architecture design. The method is applied to the system, which performances are the most limiting in the context of flexibility increase: the Core Control. This algorithmic reactor component ensures the control of: the average coolant temperature, the axial offset and the rod bank position, three of the core main functioning parameters.In order to provide a technical contribution relying on some advanced control methodologies. It consists in designing a control system meeting the requirements defined by the SE method application. The proposed solution is in a two-layer control strategy using the synergies of multi-objective control, gain-scheduling and predictive control strategies. A simplified innovative nuclear reactor model is employed to conceive the control algorithm, simulate and verify the developed models. The results obtained from this original approach showed the ability to adapt to various specifications. Compared to conventional core control modes, the simulation results showed very promising performances, while meeting the requirements, when evaluated on a realistic reactor model.