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Automatic control techniques have been widely employed in industry to increase efficiency and profitability of the processes. However, reliability on automation increases the susceptibility of the system to faults in major control equipment such as actuators and sensors. This realization has motivated design of frameworks for fault detection and isolation (FDI) and fault tolerant control (FTC). The success of these FDI and FTC mechanisms is contingent on their ability to handle complexities associated with process systems such as nonlinearity, uncertainty, high dimensionality and the resulting effects of the existence of complexity in system structure such as faults that cannot be isolated. Motivated by the above considerations, this thesis considers the problem of fault diagnosis and fault tolerant control for complex process systems. First, an FDI framework is designed that can detect and confine possible locations for faults that cannot be isolated. Next, the problem of simultaneous actuator and sensor fault diagnosis for nonlinear uncertain systems. The key idea is to design FDI filters in a way they account for the impact of uncertainty explicitly. This work then considers the problem of simultaneous fault diagnosis in nonlinear uncertain networked systems. FDI is achieved using a distributed architecture, comprised of a bank of local FDI (LFDI) schemes that communicate with each other. The efficacy of the proposed FDI methodologies is shown via application to a number of chemical process examples. Finally, an integrated framework is proposed for fault diagnosis and fault tolerant control of variable air volume (VAV) boxes, a common component of heating, ventilation and air conditioning (HVAC) systems as an industrial case study of complex systems. The advantages of the proposed framework are diagnosing multiple faults and handling faults in stuck dampers using a safe parking strategy with energy saving capability. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Automation is the key to increase efficiency and profitability of the processes. However, as the level of automation increases, major control equipment are more prone to faults. Thus, fault detection and isolation (FDI) and fault tolerant control (FTC) frameworks are required for fault handling. Fault handling, however, can only be efficiently achieved if the designed FDI and FTC frameworks are able to deal with complexities arising in process systems such as nonlinearity, uncertainty, high dimensionality and the resulting effects of the existence of complexity in system structure such as faults that cannot be isolated. This motivates design of FDI and FTC frameworks for complex process systems. First, FDI frameworks are presented that can diagnose faults in the presence of complexities mentioned above. Then, an integrated framework is designed for diagnosing and handling faults of heating, ventilation and air conditioning (HVAC) systems as an industrial case study of complex process systems.

Biological phenomena found in nature can be learned and customized to obtain innovative engineering solutions. In recent years, biologists found that birds and bats use their mechanoreceptors to sense the airflow information and use this information directly to achieve their agile flight performance. Inspired by this phenomenon, an attitude control system for micro air vehicles using rich amount of airflow sensor information is proposed, designed and tested. The dissertation discusses our research findings on this topic. First, we quantified the errors between the calculated and measured lift and moment profiles using a limited number of micro pressure sensors over a straight wing. Then, we designed a robust pitching controller using 20 micro pressure sensors and tested the closed-loop performance in a simulated environment. Additionally, a straight wing was designed for the pressure sensor based pitching control with twelve pressure sensors, which was then tested in our low-speed wind tunnel. The closed-loop pitching control system can track the commanded angle of attack with a rising time around two seconds and an overshoot around 10%. Third, we extended the idea to the three-axis attitude control scenarios, where both of the pressure and shear stress information are considered in the simulation. Finally, a fault tolerant controller with a guaranteed asymptotically stability is proposed to deal with sensor failures and calculation errors. The results show that the proposed fault tolerant controller is robust, adaptive, and can guarantee an asymptotically stable performance even in case that 50% of the airflow sensors fail in flight.

De par l’augmentation de leur utilisation, la sécurisation du vol des drones devient de plus en plus importante. La commande tolérante aux fautes peut alors contribuer à l’obtention d’un niveau de sécurité acceptable. Le but de cette thèse est de développer une méthode de commande tolérante aux fautes basée sur deux types d’approches : l’approche Automatique qui utilise une représentation de systèmes à l’aide de modèles décrivant des évolutions continues et l’approche Intelligence Artificielle qui se base sur la représentation de systèmes à l’aide de modèles discrets ou logiques. Ainsi la première contribution de cette recherche est le développement d'une méthode générique de commande tolérante aux fautes utilisant les cadres de modélisation discret et continu. L’idée consiste à combiner une modélisation continue permettant d’estimer l’état et les paramètres de fautes et une modélisation discrète permettant de prendre une décision en ligne quant au contrôleur à utiliser. L’estimation continue permet d’avoir plus d’informations sur la faute qu’avec une modélisation discrète, alors que celle-ci prend en compte des probabilités de panne et des techniques d’optimisation qui sont plus adaptées à la tâche de décision. La seconde contribution concerne le développement et la validation d’une méthode permettant de détecter et de diagnostiquer la faute. Pour ses avantages, l’idée a été de développer un filtre de Kalman sensibles aux sauts de panne pour l’estimation de l’état et des paramètres de fautes. Pour la détection et le diagnostic de la panne, l’idée a été d’utiliser les données de l’estimation de façon probabiliste. Une fois la faute détectée et identifiée, le système de commande doit réagir pour pouvoir compenser cette faute. La troisième contribution porte donc sur l’amélioration du suivi de la trajectoire par reconfiguration du système de commande. L’objectif est de combiner les méthodes de commutation et d’adaptation, afin de limiter le nombre de contrôleurs en utilisant des contrôleurs adaptatifs pour les modes dégradés, tout en ayant des contrôleurs faciles à concevoir. Des techniques d’optimisation sont alors utilisées de façon à prendre une décision en ligne quant au choix du contrôleur. Finalement, la méthode développée doit être vérifiée avant de pouvoir être implémentée sur un drone. La dernière contribution est l’évaluation de la capacité de la méthode à suivre une trajectoire d’atterrissage en cas de pannes capteurs ou actionneurs grâce à un modèle de drone. / Major security risks appear with the increase of the number of UAV in the air space. Thus, UAV security is more and more important and Fault Tolerant Control (FTC) methods could support the achievement of acceptable security level. The aims of this research is to develop a FTC method which combines two approaches : Automatic Control approach which is based on model which have a continuous representation of the system and Artificial Intelligence approach which is based on discrete or logical model to represent the system. Thus, the first contribution of this thesis is the development of a generic fault tolerant control method which uses discrete and continuous frameworks. The idea was to combine a continuous framework to estimate the state and fault parameters and a discrete framework to take on line a decision about the controller. The continuous estimation provides more knowledge on the fault whereas a discrete model allows the use of different optimization tools which are more adapted to decision task. The second contribution is the development and the validation of a method for fault detection and diagnosis. For its potential, a Kalman filter is adapted in order to be sensitive to abrupt faults and used for state and fault parameters estimation. These estimates are then used in a probabilistic way to detect and identify the fault. Once the fault is detected, the control system should react to compensate the fault. Thus, the third contribution of this thesis is the improvement of the trajectory tracking by reconfiguration of the control system. The aim is to combine switching and adaptive methods in order to limit the number of controllers by using adaptive controllers for degraded modes while having convenient controllers. Optimization tools are then used to take the decision on the controller to use. Finally, the method has to be validated before being implemented on line. The last contribution is the evaluation of the ability of the method to follow its trajectory despite the apparition of actuator or sensor faults during a landing approach.

Au Vietnam, plus d’un demi-million d’habitations n’ont pas d’accès à l’électricité. Elles se situent principalement dans des régions montagneuses ou sur des îles. Cependant, c’est un pays qui possède un grand potentiel en énergies renouvelables. Dans ce contexte, l’alimentation en électricité pour les sites isolés est une solution prometteuse en termes économique et environnemental. L’énergie solaire est la plus adaptée à l’alimentation en électricité des villages en raison d’un ensoleillement important et d’une maintenance relativement facile. Dans les systèmes de conversion d’énergie utilisant des sources d’énergies renouvelables, on utilise généralement des convertisseurs statiques simples. En effet, si l’on prend un système photovoltaïque, la poursuite du point de puissance maximale (MPPT) se fait à l’aide d’un convertisseur « boost » ou « buck-boost ». Ainsi, en cas de défaillance, le système est mis hors service. L’objectif de cette thèse est d’apporter des améliorations au niveau d’un système photovoltaïque autonome pouvant être utilisé dans un site isolé. Ainsi nous avons développé un algorithme de recherche du point de puissance maximale (MPPT) utilisant des convertisseurs DC-DC à trois niveaux (CBTN) permettant d’extraire le maximum de puissance d’un générateur photovoltaïque quelles que soient les variations climatiques (température, ensoleillement) ou de la charge. L’architecture à base de panneaux solaires associé à un système de stockage a nécessité la mise en place d’un superviseur flou afin de maîtriser la gestion des flux. Enfin, nous avons proposé une méthode de détection de défauts afin de gérer efficacement les cas de défaillance d’un élément du convertisseur multiniveaux. En effet, en cas de défauts, on doit pouvoir passer en mode dégradé pour pouvoir assurer un service proche du comportement nominal ou au moins minimal en attendant une maintenance corrective. / In Vietnam, more than half a million people do not have access to electricity. They are mainly in mountainous regions or on islands. However, this country has great potential for renewable energy. In this context, these sources of energy can be regarded as promising solutions both economically and environmentally for supplying electrical power. Solar energy is the most suitable to supply villages with electricity because of the plentiful solar radiation and relatively easy maintenance of the structures. In energy conversion systems using renewable energy sources, simple static converters are generally used. Indeed, if we explore a photovoltaic system, the maximum power point tracking (MPPT) is done using a boost or buck-boost converter. Thus, in case of failure, the system is simply switched off. The aim of this thesis is to make improvements to an autonomous photovoltaic system that can be used in an isolated site. Therefore, an MPPT algorithm using three-level DC-DC converters is developed to extract the maximum power of a photovoltaic generator, whatever the climatic variations (temperature, sunlight) or charge. The system’s architecture is based on solar panels associated with a storage system, which required the development of a fuzzy supervisor to control the flow management. Finally, we propose a fault detection method to efficiently manage the failure of a multi-level converter element. Indeed, if there is a fault, we must go into a degraded mode to provide a service close to normal or at least minimal functioning, pending maintenance.

La thèse est dédiée à l'analyse et à la conception de la commande tolérante aux défauts (fault tolerant control - FTC) en se fondant sur des méthodes ensemblistes. Nous étudions l'apparition des défauts pour les systèmes multi-capteurs, et les modes de détection, ainsi que la conception de lois de commande qui assurent la stabilité en boucle fermée. L'utilisation des ensembles invariants/contractifs permet la caractérisation des signaux résiduels, qui sont utilisés par la suite dans le processus de détection et d'isolement des défauts. La décision est fondée sur le positionnement par rapport à des hyperplans de séparation avec des importantes réductions de temps de calcul. Un mécanisme dual mis en œuvre par un bloc de récupération, permet la certification de la récupération des capteurs précédemment affectés par ces défauts.Dans une perspective théorique, nous soulignons les conditions qui permettent l'inclusion du bloc FDI (fault detection and isolation) et sa raison d'être dans la conception des lois de commande. Cela conduit par exemple à la synthèse des gains de retour d'état statique, par résolution de problèmes d'optimisation efficace (linéaire/convexe).Selon les paramètres choisis pour le réglage, la conception de la FTC peut être complétée par un superviseur de référence ou d'une loi de commande prédictive, qui adapte la trajectoire d'état et l'action de commande par retour d'état, afin d'assurer l'identification et la détection des défauts. Les questions spécifiques à l'utilisation de méthodes ensemblistes sont détaillées et des améliorations diverses sont proposées, par exemple : la construction des ensembles invariants, des formulations moins complexes des problèmes de type Mixed Integer Programming (MIP), l'analyse de la stabilité des systèmes commutés (notion de ``dwell-time''). / The scope of the thesis is the analysis and design of fault tolerant control (FTC) schemes through the use of set-theoretic methods. In the framework of multisensor schemes, the faults appearance and the modalities to accurately detect them are investigated as well as the design of control laws which assure the closed-loop stability. By using invariant/contractive sets to describe the residual signals, a fault detection and isolation (FDI) mechanism with reduced computational demands is implemented based on set-separation. A dual mechanism, implemented by a recovery block, which certificates previously fault-affected sensors is also studied. From a broader theoretical perspective, we point to the conditions which allow the inclusion of {FDI} objectives in the control law design. This leads to static feedback gains synthesis by means of numerically attractive optimization problems. Depending on the parameters selected for tuning, is shown that the FTC design can be completed by a reference governor or a predictive control scheme which adapts the state trajectory and the feedback control action in order to assure {FDI}. When necessary, the specific issues originated by the use of set-theoretic methods are detailed and various improvements are proposed towards: invariant set construction, mixed integer programming (MIP), stability for switched systems (dwell-time notions).

On considère la synthèse de la commande basée sur un asservissement affecté par des retards. L’approche utilisée repose sur des méthodes ensemblistes. Une partie de cette thèse est consacrée à une conception de commande active pour la compensation des retards qui apparaissent dans des canaux de communication entre le capteur et correcteur. Ce problème est considéré dans une perspective générale du cadre de commande tolérante aux défauts où des retards variés sont vus comme un mode particulier de dégradation du capteur. Le cas avec transmission de mesure retardée pour des systèmes avec des capteurs redondants est également examiné. Par conséquent, un cadre unifié est proposé afin de régler le problème de commande basé sur la transmission des mesures avec retard qui peuvent également être fournies par des capteurs qui sont affectés par des défauts soudains.Dans la deuxième partie le concept d’invariance positive pour des systèmes linéaires à retard à temps discret est exposé. En ce qui concerne l’invariance pour cette classe des systèmes dynamiques, il existe deux idées principales. La première approche repose sur la réécriture d’un tel système dans l’espace d’état augmenté et de le considérer comme un système linéaire. D’autre part, la seconde approche considère l’invariance dans l’espace d’état initial. Cependant, la caractérisation d’un tel ensemble invariant est encore une question ouverte, même pour le cas linéaire. Par conséquent, l’objectif de cette thèse est d’introduire une notion générale d’invariance positive pour des systèmes linéaires à retard à temps discret. Également, certains nouveaux éclairages sur l’existence et la construction pour les ensembles invariants positifs robustes sont détaillés. En outre, les nouveaux concepts d’invariance alternatives sont décrits. / We considered the process regulation which is based on feedback affected by varying delays. Proposed approach relies on set-based control methods. One part of the thesis examines active control design for compensation of delays in sensor-to controller communication channel. This problem is regarded in a general perspective of the fault tolerant control where delays are considered as a particular degradation mode of the sensor. Obtained results are also adapted to the systems with redundant sensing elements that are prone to abrupt faults. In this sense, an unified framework is proposed in order to address the control design with outdated measurements provided by unreliable sensors.Positive invariance for linear discrete-time systems with delays is outlined in the second part of the thesis. Concerning this class of dynamics, there are two main approaches which define positive invariance. The first one relies on rewriting a delay-difference equation in the augmented state-space and applying standard analysis and control design tools for the linear systems. The second approach considers invariance in the initial state-space. However, the initial state-space characterization is still an open problem even for the linear case and it represents our main subject of interest. As a contribution, we provide new insights on the existence of the positively invariant sets in the initial state-space. Moreover, a construction algorithm for the minimal robust D-invariant set is outlined. Additionally, alternative invariance concepts are discussed.

Le développement des Piles à Combustible (PàC) est en plein essor dans le contexte de transition énergétique mondial. La production d'énergie électrique par les PàCs possède l'atout majeur de ne rejeter que de l'eau et de la chaleur, sans émission de gaz à effet de serre. Pour un développement et une commercialisation plus large des PàCs comme générateurs d'énergie, leur fiabilité et leur durée de vie. Cette thèse est dédiée au Contrôle Tolérant aux Fautes appliquée à la gestion de l'eau dans les Piles à Combustibles de type PEM. Une gestion appropriée de l'état d'hydratation de la PEMFC contribue à éviter les dégradations irréversibles de ses composants et ses performances, et par conséquent à un allongement de sa durée de vie et une augmentation de sa fiabilité. La stratégie de Contrôle Tolérant aux Fautes Actif proposée est constituée d'une méthode de diagnostic basée modèle pour la détection et l'isolation des fautes et d'un contrôleur PID auto-adaptatif régulant la surstoechiométrie en oxygène. Il est à noter que cette stratégie a été validée en ligne sur un système PàC réel. / Fuel Cell (FC) development is expending due to global energy transition. Power generation using FC results in water and heat as by-products, without emission of greenhouse gases. To continue developing and expanding its use as power generators, FC lifetime and reliability have to be enhanced. This thesis work is dedicated to Fault Tolerant Control System (FTCS) applied to water management in PEM Fuel Cells. An appropriate water management of FC allow to avoid irreversible degradations of FC components and performance that lead to an improvement of FC reliability and lifetime.The proposed FTCS is composed of a model-based diagnosis method applied to fault detection and isolation, and a self-tuning PID strategy for oxygen excess ratio control. This strategy is tested and validated on-line on a real FC system.

L'objectif de cette thèse est d'optimiser l'utilisation d'actionneurs redondants pour un avion de transport lorsqu’une défaillance des actionneurs arrive en vol. La tolérance aux pannes résulte ici de la redondance des actionneurs présents sur l’avion. Différents concepts et méthodes classiques liés aux chaînes de commande de vol tolérantes aux pannes sont d'abord examinés et de nouveaux concepts utiles pour l'analyse requise sont introduits. Le problème qui est abordé ici est de développer une méthode de gestion des pannes des commandes de vol dans le cas d'une défaillance partielle des actionneurs, qui va permettre à l'avion de poursuivre en toute sécurité la manœuvre prévue. Une approche de commande en deux étapes est proposée et appliquée à la fois à l'évaluation de la manoeuvrabilité restante et à la conception de structures de commande tolérante aux pannes. Dans le premier cas, une méthode d'évaluation hors ligne des qualités de vol basée sur la commande prédictive est proposée. Dans le second cas, une structure de commande tolérante aux pannes basée sur la commande non linéaire inverse et la réaffectation des actionneurs en ligne est développée. Dans les deux cas, un problème de programmation linéaire quadratique (LQ) est formulé. Différents cas de pannes sont considérés lorsqu'un avion effectue une manoeuvre classique. Trois solveurs numériques sont appliqués aux solutions en ligne et hors ligne des problèmes LQ qui en résultent. / The objective of this thesis is to optimize the use of redundant actuators for a transportation aircraft once some actuators failure occurs during the flight. Here, the fault tolerant ability resulting from the redundant actuators is mainly considered. Different classical concepts and methods related to a fault tolerant flight control channel are first reviewed and new concepts useful for the required analysis are introduced. The problem which is tackled here is to develop a design methodology for fault tolerant flight control in the case of a partial actuator failure which will allow the aircraft to continue safely the intended maneuver. A two stages control approach is proposed and applied to both the remaining maneuverability evaluation and a fault tolerant control structure design. In the first case, an offline handling qualities assessment method based on Model Predictive Control is proposed. In the second case, a fault tolerant control structure based on Nonlinear Inverse Control and online actuator reassignment is developed. In both cases, a Linear Quadratic (LQ) programming problem is formulated and different failure cases are considered when an aircraft performs a classical maneuver. Three numerical solvers are studied and applied to the offline and online solutions of the resulting LQ problems.

Ces dernières années, la fiabilité et la continuité de service des chaînes de traction sont devenus des défis majeurs afin que les véhicules électriques puissent accéder au marché grand public de l’automobile. En effet, la présence de défauts dans les chaînes de traction peut conduire à des dysfonctionnements dans les véhicules et ainsi réduire ses performances par rapport aux véhicules conventionnels. Dans l’hypothèse où des défauts électriques se produisaient, les chaînes de traction des véhicules électriques à pile à combustible devraient inclure des topologies et/ou contrôles tolérants aux défauts pour les différents convertisseurs DC/DC et DC/AC. Dans le cadre de ce travail de recherche, un focus est fait sur le convertisseur DC/DC associé à la pile à combustible de la chaine de traction. Ce dernier doit répondre aux problématiques majeures des applications véhicule électrique à pile à combustible à savoir : faible masse et petit volume, haute efficacité énergétique, réduction de l’ondulation de courant d’entrée et fiabilité. A la base d’une recherche bibliographique poussée sur les structures non-isolées et isolées appropriées pour des applications PàC, une topologie de convertisseur DC/DC entrelacé a été choisie permettant de respecter les contraintes des véhicules électriques à pile à combustible.Ce travail de thèse a ensuite consisté à dimensionner et contrôler la structure de convertisseur DC/DC tolérante aux défauts choisie pour les véhicules à PàC. Des algorithmes de gestion des modes dégradés de ce convertisseur ont été développés et implémentés expérimentalement. A ce titre, l’interaction PàC-convertisseur DC/DC a été étudiée. Une approche théorique, de simulation et expérimentale a été mise en oeuvre pour mener à bien ce travail. / Over the last years, reliability and continuity of service of powertrains have become major challenge so that the fuel cell electric vehicles (CFEV) can access to the mass automotive market. Indeed, the presence of faults in powertrains can lead up to malfunctions in the vehicle and consequently reduce its performances compared with conventional vehicles. In the case of electrical faults, powertrains of FCEV have to include fault tolerant topology and/or control for the different DC/DC and DC/AC converters. Within the framework of this research work, the study is focused on DC/DC converter combined with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). The DC/DC converter must respond to challenging issues in FCEV applications such as: low weight and small volume, high energy efficiency, fuel cell current ripple reduction and reliability. Basing on a thorough bibliographical study on non-isolated and isolated DC/DC converter topologies, an interleaved DC/DC boost converter has been chosen, meeting the FCEV requirements.The purpose of this thesis has then consisted in sizing and controlling the chosen fault-tolerant DC/DC converter topology for FCEVs. Algorithms for degraded mode management of this converter have been developed and implemented experimentally. As such, the interaction between PEMFC and interleaved DC/DC boost converter has been investigated. A theoretical approach, simulation and experimental results have been carried out to complete this work.