Ce travail de thèse aborde le problème de la détection et de l’isolation des pannes à base de modèle du système dynamique non linéaire. Les techniques de détection et d’identification de pannes sont déjà appliquées aux systèmes industriels et elles jouent un rôle important pour assurer les performances attendues des systèmes automatiques. Les différentes approches du diagnostic des systèmes dynamiques semblent être souvent le résultat de contextes différents notamment en ce qui concerne les applications visées et le cahier des charges qui en résulte. Ainsi, la nature des informations disponibles sur le système ou le type de défauts à détecter conduit à la mise en œuvre de stratégies spécifiques. Dans cette étude on suppose disposer d’un modèle de fonctionnement du système et les pannes considérées sont celles qui conduisent le système à ne plus suivre ce modèle. Après avoir introduit la notion de platitude différentielle pour un système dynamique non linéaire continu, plusieurs exemples de systèmes dynamiques différentiellement plats sont introduits. Les redondances analytiques mises en évidence par cette propriété sont dans une première étape utilisées pour détecter des pannes. Ceci conduit à développer des estimateurs d’ordre supérieurs pour les dérivées des sorties plates du système et des estimateurs non linéaires de l’état du système. Cette approche est mise en œuvre dans le cadre de la détection de pannes des moteurs d’un Quadri-Rotor.La notion de platitude pour les systèmes dynamiques discrets est alors introduite. Il est alors possible de développer une nouvelle approche pour la détection des pannes, fondée sur la redondance temporelle entre les informations résultant des mesures directes de composantes du vecteur d’état du Quadri-Rotor et les estimations des sorties plates à chaque instant d’échantillonnage. Cette approche qui est illustrée ici aussi dans le cas du Quadri-Rotor, permet aussi de développer une méthode d’identification en ligne des pannes en se basant sur la chronologie de la propagation de leurs effets / This PhD is submitted in model-based faults detection and isolation in nonlinear dynamic system. The techniques of faults detection and isolation are already being applied to industrial systems and have played an important role to ensure the expected performance of automated systems. The differences in approaches to diagnosis of dynamic systems often seem to be the result of different contexts including in respect of applications and referred the specification that follows. Thus, the nature of information available on the system or the type of fault detection leads to the implementation of specific strategies. In this study we have assumed a model of system operation and faults considered are those that lead the system to no longer follow this model.After introducing the concept of differential flatness for a nonlinear dynamical system continued, several examples of differentially flat systems dynamics are introduced. The analytical redundancy highlighted by this property is a first step used to detect faults. This leads to develop estimators for higher order derivatives of the outputs flat of the system and estimator plate for nonlinear system state. This approach is implemented in the context of fault detection engine of a Quadri-Rotor.The notion of flatness for discrete dynamical systems is introduced. It is then possible to develop a new approach for fault detection based on temporal redundancy between the information from direct measurements of components of the state vector of Quadri-Rotor and estimates of output flat at each sampling instant. This approach is illustrated here as in the case of the Quadri-Rotor, can also develop a method for online identification of fault based on the chronology of the spread of their effects

A acuracidade dos processos de medição e de montagem que utilizam os desempenos como referência depende principalmente da planicidade dessas superfícies. Se a referência está fora das especificações é inútil utilizar instrumentos sofisticados e de alta acuracidade. Neste trabalho é apresentado um sistema para medição de desvios de planicidade de desempenos. O sistema é constituído por dois transdutores de deslocamento do tipo LVDT fixados no eixo z de uma máquina de medir a três coordenadas (MM3C). Durante a medição a intenção é avaliar apenas os desvios da superfície, no entanto os mancais das MM3C não se deslocam perfeitamente e as leituras obtidas são as componentes dos desvios da superfície e do movimento dos mancais. Para eliminar os componentes de erros da máquina dos dados medidos, pode-se usar as técnicas de separação de erros, e então, o desvio da superfície pode ser determinado. O sistema de medição proposto possui uma interface eletrônica que possibilita a aquisição dos sinais da régua óptica da MM3C e dos transdutores de deslocamento do tipo LVDT. Possui, também, um programa computacional que utiliza as técnicas de separação de erros para determinar o desvio de planicidade do mensurando. O sistema desenvolvido foi utilizado para medir o desvio de planicidade de uma superfície. Para verificar a eficiência do mesmo foi realizada uma comparação entre os valores de erro de planicidade obtidos através de medição com o sistema proposto e aqueles obtidos com interferômetro a laser e nível eletrônico. / The accuracy of measurement and assembly process using surface plates depends mainly on these surfaces flatness. If the surface plate does not meet the flatness specification, it is ineffective to apply high technology instruments of measurement. This research proposes is to develop a flatness measurement system for surface plates using two electronic comparators attached to the coordinate measuring machine (CMM). During a measurement process, the purpose is to evaluate the workpiece profile. However, the signals picked up by sensors include the workpiece profile and component motion error. In order to separate these errors, error separation techniques can be applied. The proposed measurement system has an electronic interface to collect data from the CMM optical scale and from the electronic comparators. The collected data are sent to a computer prepared with an algorithm for applying the error separation equations and for compute the flatness error. A surface was measured using the proposed measurement system. To evaluate its efficiency, the results were compared to the measurements made using electronic level and laser interferometric system.

Les systèmes dotés d’autonomie doivent continument évaluer leur environnement, via des capteurs embarqués, afin de prendre des décisions pertinentes au regard de leur mission, mais aussi de l’endosystème et de l’exosystème. Dans le cas de véhicules dits ‘intelligents’, l’attention quant au contexte environnant se porte principalement d’une part sur des objets parfaitement normalisés, comme la signalisation routière verticale ou horizontale, et d’autre part sur des objets difficilement modélisables de par leur nombre et leur variété (piétons, cyclistes, autres véhicules, animaux, ballons, obstacles quelconques sur la chaussée, etc…). La décision a contrario offre un cadre formel, adapté à ce problème de détection d’objets variables, car modélisant le bruit plutôt qu’énumérant les objets à détecter. La contribution principale de cette thèse est d’adapter des mesures probabilistes de type NFA (Nombre de Fausses Alarmes) au problème de la détection d’objets soit ayant un mouvement propre, soit saillants par rapport au plan de la route. Un point fort des algorithmes développés est qu’ils s’affranchissent de tout seuil de détection. Une première mesure NFA permet d’identifier le sous-domaine de l'image (pixels non nécessairement connexes) dont les valeurs de niveau de gris sont les plus étonnantes, sous hypothèse de bruit gaussien (modèle naïf). Une seconde mesure NFA permet ensuite d’identifier le sous-ensemble des fenêtres de significativité maximale, sous hypothèse de loi binômiale (modèle naïf). Nous montrons que ces mesures NFA peuvent également servir de critères d’optimisation de paramètres, qu’il s’agisse du mouvement 6D de la caméra embarquée, ou d’un seuil de binarisation sur les niveaux de gris. Enfin, nous montrons que les algorithmes proposés sont génériques au sens où ils s’appliquent à différents types d’images en entrée, radiométriques ou de disparité.A l’opposé de l’approche a contrario, les modèles markoviens permettent d’injecter des connaissances a priori sur les objets recherchés. Nous les exploitons dans le cas de la classification de marquages routiers.A partir de l’estimation du contexte (signalisation, détection d’objets ‘inconnus’), la partie commande comporte premièrement une spécification des trajectoires possibles et deuxièmement des lois en boucle fermée assurant le suivi de la trajectoire sélectionnée. Les diverses trajectoires possibles sont regroupées en un faisceau, soit un ensemble de fonctions du temps où divers paramètres permettent de régler les invariants géométriques locaux (pente, courbure). Ces paramètres seront globalement fonction du contexte extérieur au véhicule (présence de vulnérables, d'obstacles fixes, de limitations de vitesse, etc.) et permettent de déterminer l'élément du faisceau choisi. Le suivi de la trajectoire choisie s'effectue alors en utilisant des techniques de type platitude différentielle, qui s'avèrent particulièrement bien adaptées aux problèmes de suivi de trajectoire. Un système différentiellement plat est en effet entièrement paramétré par ses sorties plates et leurs dérivées. Une autre propriété caractéristique de ce type de systèmes est d'être linéarisable de manière exacte (et donc globale) par bouclage dynamique endogène et transformation de coordonnées. Le suivi stabilisant est alors trivialement obtenu sur le système linéarisé. / To take relevant decisions, autonomous systems have to continuously estimate their environment via embedded sensors. In the case of 'intelligent' vehicles, the estimation of the context focuses both on objects perfectly known such as road signs (vertical or horizontal), and on objects unknown or difficult to describe due to their number and variety (pedestrians, cyclists, other vehicles, animals, any obstacles on the road, etc.). Now, the a contrario modelling provides a formal framework adapted to the problem of detection of variable objects, by modeling the noise rather than the objects to detect. Our main contribution in this PhD work was to adapt the probabilistic NFA (Number of False Alarms) measurements to the problem of detection of objects simply defined either as having an own motion, or salient to the road plane. A highlight of the proposed algorithms is that they are free from any detection parameter, in particular threshold. A first NFA criterion allows the identification of the sub-domain of the image (not necessarily connected pixels) whose gray level values are the most amazing under Gaussian noise assumption (naive model). A second NFA criterion allows then identifying the subset of maximum significant windows under binomial hypothesis (naive model). We prove that these measurements (NFA) can also be used for the estimation of intrinsec parameters, for instance either the 6D movement of the onboard camera, or a binarisation threshold. Finally, we prove that the proposed algorithms are generic and can be applied to different kinds of input images, for instance either radiometric images or disparity maps. Conversely to the a contrario approach, the Markov models allow to inject a priori knowledge about the objects sought. We use it in the case of the road marking classification. From the context estimation (road signs, detected objects), the control part includes firstly a specification of the possible trajectories and secondly the laws to achieve the selected path. The possible trajectories are grouped into a bundle, and various parameters are used to set the local geometric invariants (slope, curvature). These parameters depend on the vehicle context (presence of vulnerables, fixed obstacles, speed limits, etc ... ), and allows determining the selected the trajectory from the bundle. Differentially flat system is indeed fully parameterized by its flat outputs and their derivatives. Another feature of this kind of systems is to be accurately linearized by endogenous dynamics feed-back and coordinate transformation. Tracking stabilizer is then trivially obtained from the linearized system.

L’objectif de ce manuscrit est de fournir une technique de commande tolérante aux défauts basée sur la platitude différentielle. Pour ce type de systèmes, il est possible de trouver un ensemble de variables, nommées sorties plates, tel que, les états et les entrées de commande du système puissent s’exprimer en fonction de ces sorties et d’un nombre fini de ses dérivées temporelles. Le bloc de détection et d’isolation doit assurer la détection du défaut le plus rapidement possible. Cette action est effectuée en exploitant la propriété de non-unicité des sorties plates. En effet, si un deuxième jeu de sorties plates peux être trouvé et si ce deuxième jeu n’est couplé avec le premier que par une équation différentielle, le nombre des résidus permettant la détection de défauts pourra être augmenté. La condition pour cela est que les deux jeux soient différentiellement couplés ce qui signifie qu’il existe une équation qui contienne des dérivées temporelles et qui couple un élément du premier jeu avec un élément du deuxième jeu de sorties plates. En conséquence le nombre de résidus disponibles pour la détection est supérieur au nombre que l’on aurait si on avait seulement un jeu des sorties plates.En ce qui concerne la reconfiguration, si le système plat satisfait les propriétés énumérées ci-dessus, nous obtiendrons autant de valeurs des états et des entrées que le nombre de jeux de sorties plates trouvés. En effet chaque entrée de commande et chaque état du système peuvent être recalculés en fonction des sorties plates. L’approche proposée fournit de cette manière un résidu prenant en compte une mesure calculée avec le vecteur plat contenant le défaut et une autre avec le vecteur plat libre de défaut. Les signaux redondants libres de défauts seront ainsi utilisés comme références du contrôleur de manière à ce que les effets du défaut soient masqués et ne rentrent pas la boucle de commande. Ceci sera utile pour fournir une stratégie de commande entièrement basée sur les systèmes plats.Les travaux présentés dans ce mémoire sont donnés sous l’hypothèse suivante: Les sorties plates sont fonctions de l’état du système, néanmoins dans ce manuscrit elles seront limitées à être directement une partie de l’état du système ou une combinaison linéaire d’entre eux. La boucle de commande est fermée avec un correcteur par retour d’état.Enfin pour les travaux réalisés en fin de manuscrit les sorties plates doivent pouvoir être mesurées ou reconstruites.Les défauts affectant les actionneurs sont considérés rejetés par le contrôleur, par conséquent la reconfiguration est seulement effectuée après la détection d’un défaut capteur.La faisabilité de l’approche proposée est analysée sur deux systèmes non linéaires, un drone quadrirotor et un système de trois cuves. / The objective of this Ph.D. work is to provide a flatness based active fault-tolerant control technique. For such systems, it is possible to find a set of variables, named flat outputs, such that states and control inputs can be expressed as functions of flat outputs and their time derivatives. The fault detection and isolation block has to provide a fast and accurate fault isolation. This action is carried out by exploiting the non-uniqueness property of the flat outputs. In fact, if a second set of flat outputs which are coupled by a differential equation of the first is calculated, bthe number of residues augments. Differentially coupled means that it exists an equation with time derivatives inside, that couple one element of the first set with one of the second. As a consequence of augmenting the number of residual signal more faults than in the one set case may be isolated.Regarding reconfiguration, if the flat system complies with the properties listed above, we will obtain versions of states and control inputs as much of flat output vectors, are found, because each control input and state is a function of the flat output. The proposed approach provides in this manner one measure related to a faulty flat output vector and one or more computed by using an unfaulty one. The redundant state signals could be used as reference of the controller in order to hide the fault effects. This will be helpful to provide an entirely flatness based fault-tolerant control strategy.The works presented in this manuscript are under the following hypothesis: The flat outputs are functions of the state of the system, however in this work the flat outputs are constrained to be states of the system or a linear combination of them.The control loop is closed with a state feedback controller.For purposes of this work flat outputs need to be measured.Faults affecting the actuators are considered rejected by the controller; by consequence reconfiguration is only carried out after a sensor fault occurs.Feasibility of the proposed approach is analyzed in two nonlinear plants, an unmanned quadrotor and a three tank system.

A mathematical model for a Two-Span Web Roller machine is defined in order to facilitate motion planning, motion tracking and state observer design for tracking web tension and web velocity. Differential Flatness is utilized to create reference trajectories that are tracked with a high convergence rate. Flatness also allows for nominal input torque generation without integration. Constraints on the inputs are satisfied through the motion planning phase. A partial state feedback linearization is performed and an exponential tracking dynamic feedback controller is defined. An exponential Kalman-related tension observer is also defined with semi-optimal gain formulation. The observer takes advantage of the bilinearity of the dynamics up to additive output nonlinearity. The closed-loop system is simulated in MatLab with comparisons to reference trajectories previously employed in literature. The importance of proper motion planning is demonstrated by producing excellent performance compared with existing tracking and tension observing methods.

A mathematical model for a Two-Span Web Roller machine is defined in order to facilitate motion planning, motion tracking and state observer design for tracking web tension and web velocity. Differential Flatness is utilized to create reference trajectories that are tracked with a high convergence rate. Flatness also allows for nominal input torque generation without integration. Constraints on the inputs are satisfied through the motion planning phase. A partial state feedback linearization is performed and an exponential tracking dynamic feedback controller is defined. An exponential Kalman-related tension observer is also defined with semi-optimal gain formulation. The observer takes advantage of the bilinearity of the dynamics up to additive output nonlinearity. The closed-loop system is simulated in MatLab with comparisons to reference trajectories previously employed in literature. The importance of proper motion planning is demonstrated by producing excellent performance compared with existing tracking and tension observing methods.

Les travaux de recherche entrent dans le cadre de la reconfiguration de lois de commande des systèmes dynamiques présentant divers modes de fonctionnement afin d’assurer les performances désirées. Deux approches d’accommodation ont été proposées pour la commande de ces systèmes dynamiques : une approche passive qui présente un régulateur à paramètres fixes ne garantissant pas les mêmes performances pour différents modes de fonctionnement et une approche active dans laquelle les paramètres du système de commande peuvent être mis à jour selon le mode de fonctionnement détecté. C’est cette deuxième approche basée sur une représentation multi-modèles du système qui a été retenue dans nos travaux.Les erreurs de modélisation correspondant aux variations de conditions de fonctionnement, sont dans ce cas détectées par un algorithme de détection et de localisation de variations de modes de fonctionnement. Il s’en suit une reconfiguration d’une loi de commande par platitude en utilisant le principe de commutation. Cette approche garantit la régulation et la poursuite d’une trajectoire de référence. Pour sa mise en œuvre, un banc de régulateurs, conçu par platitude, a été élaboré pour les modèles discrets plats obtenus autour des divers points de fonctionnement.La détection des modes de fonctionnement est effectuée par une génération de résidus en utilisant un ensemble d’observateurs de type Luenberger dont les gains sont calculés en utilisant l’outil LMI.L'étude de la stabilité ainsi que l'introduction de dispositifs d'anti-emballement liés à la commutation entre les régulateurs, ont été considérés dans l'approche proposée / The work presented in this memory concerns the control reconfiguration of dynamical systems with variation of operating modes in order to ensure the desired performances. For the control of dynamic systems, two approaches of accommodation have been proposed. The passive approach presents a controller with fixed parameters that doesn’t ensure the same performance for different operating modes and an active approach in which the controller settings can be updated according to the variation of the detected operating mode. Our work has therefore focused on this second approach based on multi-models system representation. The modelling errors corresponding to the variations of operating conditions are detected in this case by detection and localization algorithm, consequently, a reconfiguration strategy based on flatness-based switching control is proposed. This approach guarantees the control and the tracking of a reference trajectory. In fact, we have synthesised a discrete flatness-based multi-controllers associated for each operating model obtained from different operating points. Detection of operating modes is done by a residual generation by using Luenberger observers which gains are calculated using the LMI tool. Study of the stability as well as the use of anti-windup devices related to switching between controllers; have been considered in the proposed approach

Les systèmes critiques de vol tels que les actionneurs électromécaniques ainsi que les calculateurs de commande moteur (ECU) et de vol (FCU),sont conçus en tenant compte des contraintes aéronautiques sévères de sureté defonctionnement. Dans le cadre de cette étude, une architecture calculateur pourla commande et la surveillance d’actionneurs moteur et de surfaces de vol est proposée et à fait l’objet d’un brevet [13]. Pour garantir ces mesure de sureté, les ECU et FCU présentent des redondances matérielles multiples, mais engendrent une augmentation de l’encombrement, du poids et de l’énergie consommée. Pour ces raisons, les redondances à base de modèles dynamiques, présentent un atout majeur pour les calculateurs car elles permettent dans certains cas de maintenir les exigences d’intégrité et de disponibilité tout en réduisant le nombre de capteurs ou d’actionneurs. Un rappel sur les méthodes de diagnostic par générateurs de résidus et estimateurs d’états [58, 26, 47] est effectué dans cette étude. Les propriétés de platitude différentielle et la linéarisation par difféomorphisme et bouclage endogène [80, 41, 73] permettent d’utiliser des modèles linéaires équivalents avec les générateurs de résidus. Un banc d’essai a été conçu afin de valider les performances des algorithmes de diagnostic. / Flight-Critical Systems such as Electromechanical Actuators driven by Engine Control Units (ECU) or Flight Control Units (FCU) are designed and developed regarding drastic safety requirements. In this study, an actuator control and monitoring ECU architecture based on analytic redundancy is proposed. In case of fault occurrences, material redundancies in avionic equipment allow certaincritical systems to reconfigure or to switch into a safe mode. However, material redundancies increase aircraft equipment size, weight and power (SWaP). Monitoring based on dynamical models is an interesting way to further enhance safetyand availability without increasing the number of redundant items. Model-base dfault detection and isolation (FDI) methods [58, 26, 47] such as observers and parity space are recalled in this study. The properties of differential flatness for nonlinear systems [80, 41, 73] and endogenous feedback linearisation are used with nonlinear diagnosis models. Linear and nonlinear observers are then compared with an application on hybrid stepper motor (HSM). A testing bench was specially designed to observe in real-time the behaviour of the diagnosis models when faults occur on the stator windings of a HSM.

A acuracidade dos processos de medição e de montagem que utilizam os desempenos como referência depende principalmente da planicidade dessas superfícies. Se a referência está fora das especificações é inútil utilizar instrumentos sofisticados e de alta acuracidade. Neste trabalho é apresentado um sistema para medição de desvios de planicidade de desempenos. O sistema é constituído por dois transdutores de deslocamento do tipo LVDT fixados no eixo z de uma máquina de medir a três coordenadas (MM3C). Durante a medição a intenção é avaliar apenas os desvios da superfície, no entanto os mancais das MM3C não se deslocam perfeitamente e as leituras obtidas são as componentes dos desvios da superfície e do movimento dos mancais. Para eliminar os componentes de erros da máquina dos dados medidos, pode-se usar as técnicas de separação de erros, e então, o desvio da superfície pode ser determinado. O sistema de medição proposto possui uma interface eletrônica que possibilita a aquisição dos sinais da régua óptica da MM3C e dos transdutores de deslocamento do tipo LVDT. Possui, também, um programa computacional que utiliza as técnicas de separação de erros para determinar o desvio de planicidade do mensurando. O sistema desenvolvido foi utilizado para medir o desvio de planicidade de uma superfície. Para verificar a eficiência do mesmo foi realizada uma comparação entre os valores de erro de planicidade obtidos através de medição com o sistema proposto e aqueles obtidos com interferômetro a laser e nível eletrônico. / The accuracy of measurement and assembly process using surface plates depends mainly on these surfaces flatness. If the surface plate does not meet the flatness specification, it is ineffective to apply high technology instruments of measurement. This research proposes is to develop a flatness measurement system for surface plates using two electronic comparators attached to the coordinate measuring machine (CMM). During a measurement process, the purpose is to evaluate the workpiece profile. However, the signals picked up by sensors include the workpiece profile and component motion error. In order to separate these errors, error separation techniques can be applied. The proposed measurement system has an electronic interface to collect data from the CMM optical scale and from the electronic comparators. The collected data are sent to a computer prepared with an algorithm for applying the error separation equations and for compute the flatness error. A surface was measured using the proposed measurement system. To evaluate its efficiency, the results were compared to the measurements made using electronic level and laser interferometric system.

The aim of the diploma thesis was to determine the flatness of the floor using two methods, levelling and laser scanning, their subsequent comparison and evaluation of differences between them. The thesis deals mainly with laser scanning and namely the used scanner and the software for point cloud processing. Furthermore, there is a compilation of existing technical standards dealing with this topic.