Le secteur du bâtiment est un consommateur énergétique majeur, par conséquent, un cadre d’actions a été décidé au niveau international dans le but de limiter son impact. Afin de mettre en œuvre ces mesures, il est nécessaire d’avoir à disposition des modèles offrants une description fiable du comportement thermique des bâtiments. A cet effet, cette thèse propose l’application d’une nouvelle technique guidée par les données pour la modélisation thermique des bâtiments en se basant sur l’approche des systèmes hybrides, caractérisés par des dynamiques continues et événementielles. Ce choix est motivé par le fait qu’un bâtiment est un système complexe caractérisé par des phénomènes non-linéaires et l’apparition de différents événements. On utilise les modèles affines par morceaux ou PWARX pour l’identification de systèmes hybrides. C’est une collection de sous-modèles affines représentant chacun une configuration caractérisée par une dynamique particulière. Le manuscrit commence par un état de l’art sur les principales techniques de modélisation thermique des bâtiments. Ensuite, le choix d’une approche hybride est motivé par une interprétation mathématique basée sur les équations d’un circuit thermique. Ceci est suivi par une brève présentation des modèles hybrides et une description détaillée de la méthodologie utilisée. On montre ensuite comment utiliser la technique SVM pour classifier les nouvelles données. Enfin, l’intégration des modèles PWARX dans une boucle de contrôle hybride afin d’estimer le gain en performance énergétique d’un bâtiment après rénovation est présentée. La méthodologie est validée en utilisant des données issues de cas d’études variés. / The building sector is a major energy consumer, therefore, a framework of actions has been decided on by countries worldwide to limit its impact. For implementing such actions, the availability of models providing an accurate description of the thermal behavior of buildings is essential. For this purpose, this thesis proposes the application of a new data-driven technique for modeling the thermal behavior of buildings based on a hybrid system approach. Hybrid systems exhibit both continuous and discrete dynamics. This choice is motivated by the fact that a building is a complex system characterized by nonlinear phenomena and the occurrence of different events. We use a PieceWise AutoRegressive eXogeneous inputs (PWARX) model for the identification of hybrid systems. It is a collection of sub-models where each sub-model is an ARX equation representing a certain configuration in the building characterized by its own dynamics. This thesis starts with a state-of-the-art on building thermal modeling. Then, the choice of a hybrid system approach is motivated by a mathematical interpretation based on the equations derived from an RC thermal circuit of a building zone. This is followed by a brief background about hybrid system identification and a detailed description of the PWARX methodology. For the prediction phase, it is shown how to use the Support Vector Machine (SVM) technique to classify new data to the right sub-model. Then, it is shown how to integrate these models in a hybrid control loop to estimate the gain in the energy performance for a building after insulation work. The performance of the proposed technique is validated using data collected from various test cases.

Dans le contexte du concept de l’avion «plus électrique », l’électricité prend une part croissante dans les systèmes embarqués aéronautiques. Ainsi, de nombreuses évolutions ont eu lieu, concernant les réseaux de bord, notamment l’architecture du réseau qui est devenue de plus en plus complexe, intégrant de nombreux équipements de différentes natures ; ceci entraîne de multiples questions relatives à la qualité et la stabilité du réseau. C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse, qui aboutissent d’une part à la mise en œuvre de méthodes d’analyse de la stabilité et de la qualité du réseau aéronautique embarqué et d’autre part à l’analyse de couplage entre plusieurs équipements connectés sur un seul réseau. Les études menées au cours de ces travaux reposent sur l’utilisation des expressions analytiques représentant le comportement fréquentiel de réseaux continus. Une méthode de calcul basée sur les lois de la physique a été développée et validée par des approches de simulation et d’expérimentation. Par ailleurs, en absence d’un modèle analytique, nous choisissons de déterminer l'expression littérale du modèle équivalent du réseau à partir de l'identification des données issues de l’approche expérimentale en se basant sur des algorithmes d'optimisation. Ces modèles analytiques sont associés aux critères mathématiques de stabilité (Routh-Hurwitz, MiddleBrook), et aux contraintes de qualité imposées par les standards aéronautiques, dans le but de dimensionner les éléments de filtrage à placer entre le réseau et l’équipement. Le calcul des composants assurant le filtrage repose sur la recherche d’une solution optimale : nous introduisons les algorithmes d’optimisation utilisés en première étape, et nous proposons par la suite une formulation de la procédure de calcul des paramètres du filtre pour une meilleure illustration des résultats intéressants pour un concepteur de réseau. Enfin, nous clôturons ce travail par une analyse des couplages entre plusieurs équipements connectés sur un réseau continu et nous concluons par une approche expérimentale afin d’appuyer les résultats théoriques. / In the concept of the "more electric" aircraft, power takes an increasing proportion in aeronautic embedded systems. So many changes have occurred on board networks, including the network architecture that has become more and more complex, integrating many different types of equipment that causes quality and stability issues on the network. In this context that this thesis is inscribed, firstly it leads to the implementation of methods for stability and quality analyzing of the embedded network and secondly to coupling analysis of several devices connected to a single network. Studies conducted in this work are based on analytical expressions representing the frequency behavior of networks. A compute based on fundamental physical laws has been developed and validated by simulation and experimental approaches. Moreover, in the absence of an analytical model, we choose to determine the literal expression of the equivalent model of the network by identifying data, come from the experimental approach, using optimization algorithms. These analytical models are associated with mathematical criteria: Routh-Hurwitz, Middlebrook, and quality constraints imposed by aeronautic standards, in order to size the elements of the filter cell placed between the voltage source and the equipment to ensure the stability and quality of the entire system. The sizing of cell parameters based on optimal search by means of optimization algorithms in the first step, and then we propose a formulation of the calculation procedure of the filter parameters to illustrate some interesting results for designer’s network. Finally, we close this work with a coupling analysis of several devices connected to a single DC bus and we conclude by an experimental approach to support the theoretical results.

L'identification des systèmes dynamiques complexes reste une préoccupation lorsque les erreurs de prédictions contiennent des outliers d'innovation. Ils ont pour effet de détériorer le modèle estimé, si le critère d'estimation est mal choisi et mal adapté. Cela a pour conséquences de contaminer la distribution de ces erreurs, laquelle présente des queues épaisses et s'écarte de la distribution normale. Pour résoudre ce problème, il existe une classe d'estimateurs, dits robustes, moins sensibles aux outliers, qui traitent d'une manière plus « douce » la transition entre résidus de niveaux très différents. Les M-estimateurs de Huber font partie de cette classe. Ils sont associés à un mélange des normes L2 et L1, liés à un modèle de distribution gaussienne perturbée, dit gross error model. A partir de ce cadre formel, nous proposons dans cette thèse, un ensemble d'outils d'estimation et de validation de modèles paramétriques linéaires et pseudo-linéaires boîte-noires, avec extension de l'intervalle de bruit dans les petites valeurs de la constante d'accord de la norme de Huber. Nous présentons ainsi les propriétés de convergence du critère d'estimation et de l'estimateur robuste. Nous montrons que l'extension de l'intervalle de bruit réduit la sensibilité du biais de l'estimateur et améliore la robustesse aux points de levage. Pour un type de modèle pseudo-linéaire, il est présenté un nouveau contexte dit L-FTE, avec une nouvelle méthode de détermination de L, dans le but d'établir les linéarisations du gradient et du Hessien du critère d'estimation, ainsi que de la matrice de covariance asymptotique de l'estimateur. De ces relations, une version robuste du critère de validation FPE est établie et nous proposons un nouvel outil d'aide au choix de modèle estimé. Des expérimentations sur des processus simulés et réels sont présentées et analysées.L'identification des systèmes dynamiques complexes reste une préoccupation lorsque les erreurs de prédictions contiennent des outliers d'innovation. Ils ont pour effet de détériorer le modèle estimé, si le critère d'estimation est mal choisi et mal adapté. Cela a pour conséquences de contaminer la distribution de ces erreurs, laquelle présente des queues épaisses et s'écarte de la distribution normale. Pour résoudre ce problème, il existe une classe d'estimateurs, dits robustes, moins sensibles aux outliers, qui traitent d'une manière plus « douce » la transition entre résidus de niveaux très différents. Les M-estimateurs de Huber font partie de cette classe. Ils sont associés à un mélange des normes L2 et L1, liés à un modèle de distribution gaussienne perturbée, dit gross error model. A partir de ce cadre formel, nous proposons dans cette thèse, un ensemble d'outils d'estimation et de validation de modèles paramétriques linéaires et pseudo-linéaires boîte-noires, avec extension de l'intervalle de bruit dans les petites valeurs de la constante d'accord de la norme de Huber. Nous présentons ainsi les propriétés de convergence du critère d'estimation et de l'estimateur robuste. Nous montrons que l'extension de l'intervalle de bruit réduit la sensibilité du biais de l'estimateur et améliore la robustesse aux points de levage. Pour un type de modèle pseudo-linéaire, il est présenté un nouveau contexte dit L-FTE, avec une nouvelle méthode de détermination de L, dans le but d'établir les linéarisations du gradient et du Hessien du critère d'estimation, ainsi que de la matrice de covariance asymptotique de l'estimateur. De ces relations, une version robuste du critère de validation FPE est établie et nous proposons un nouvel outil d'aide au choix de modèle estimé. Des expérimentations sur des processus simulés et réels sont présentées et analysées. / Complex dynamic systems identification remains a concern when prediction errors contain innovation outliers. They have the effect to damage the estimated model if the estimation criterion is badly chosen and badly adapted. The consequence is the contamination of the distribution of these errors; this distribution presents heavy tails and deviates of the normal distribution. To solve this problem, there is a robust estimator's class, less sensitive to the outliers, which treat the transition between residuals of very different levels in a softer way. The Huber's M-estimators belong to this class. They are associated to a mixed L2 - L1 norm, related to a disturbed Gaussian distribution model, namely gross error model. From this formal context, in this thesis we propose a set of estimation and validation tools of black-box linear and pseudo-linear models, with extension of the noise interval to low values of the tuning constant in the Huber's norm. We present the convergence properties of the robust estimation criterion and the robust estimator. We show that the extension of the noise interval reduces the sensitivity of the bias of the estimator and improves the robustness to the leverage points. Moreover, for a pseudo-linear model structure, we present a new context, named L-FTE, with a new method to determine L, in order to linearize the gradient and the Hessien of estimation criterion and the asymptotic covariance matrix of the estimator. From these expressions, a robust version of the FPE validation criterion is established and we propose a new decisional tool for the estimated model choice. Experiments on simulated and real systems are presented and analyzed.

La stabilisation et l’automatisation du vol de tout véhicule aérien nécessite la mise en oeuvre d’algorithmes de commande. La synthèse et la simulation des lois de commande reposent sur un modèle mathématique du véhicule, qui doit être de complexité et de précision appropriées. Cette thèse présente une méthodologie complète d’identification appliquée à un hélicoptère coaxialminiature. L’étude théorique de son comportement en vol permet d’établir plusieurs modèles basés sur la mécanique du vol, qui diffèrent par les phénomènes aérodynamiques pris en compte. Ils sont identifiés, comparés et validés grâce à des données de vol, mettant en évidence l’importance de certains phénomènes dans la précision du modèle. Différentes lois de commande sont alors étudiées et évaluées en simulation puis par des expérimentations sur un prototype. Les résultats obtenus sont conformes aux simulations numériques, validant ainsi l’ensemble de la démarche. / Control algorithms are at the heart of the stability and automatic flight capabilities of any aerial vehicle. Synthesis and simulation of control laws are based on a mathematicalmodel of the vehicle, which must be a trade-off between simplicity and accuracy. This work presents a complete system identification methodology applied on a miniature coaxial helicopter. Based on flight mechanics and aerodynamics, several models are built. They differ in the aerodynamic phenomena taken into account. They are identified, compared and validated thanks to flight data, highlighting important phenomena in the accuracy of the model. Several flight control strategies are then studied and evaluated through simulations and experiments with a prototype. The results are in accordance with numerical simulations, thus validating the whole approach.

Dans cette thèse, plusieurs concepts importants liés à la théorie de la réalisation des modèles linéaires à paramètres variants (LPV) sont étudiés.Tout d’abord, nous abordons le problème de l’identifiabilité des modèles LPV affines (ALPV). Une nouvelle condition suffisante et nécessaire est introduite afin de garantir l’identifiabilité structurelle pour les paramétrages ALPV. L’identifiabilité de cette classe de paramétrages est liée à l’absence d’isomorphismes liant deux représentations d’état LPV lorsque deux modèles LPV correspondant à différentes valeurs des variables de séquencement sont considérés. Nous présentons ainsi une condition suffisante et nécessaire pour l’identifiabilité structurelle locale, et une condition suffisante pour l’identifiabilité structurelle (globale) qui sont toutes deux fonction du rang d’une matrice définie par l’utilisateur. Ces dernières conditions permettent la vérification de l’identifiabilité structurelle des modèles ALPV.Ensuite, étant donné que les techniques d’identification dites locales sont parfois inévitables, nous fournissons une expression analytique de la borne supérieure de l’erreur de comportements entrées-sorties de deux modèles LPV équivalents localement. Cette erreur se révèle être une fonction de (i) la vitesse de changement du signal de séquencement et (ii) l’écart entre les bases cohérentes de deux modèles LPV. En particulier, la différence entre les sorties des deux modèles peut être arbitrairement réduite en choisissant un signal de séquencement qui varie assez lentement.Enfin, nous présentons et étudions des propriétés importantes de la transformation des représentations d’état ALPV en Représentations Linéaires Fractionnelles (LFR). Plus précisément, nous montrons que (i) les représentations ALPV minimales conduisent à des LFR minimales, et vice versa, (ii) le comportement entrée-sortie de la représentation ALPV détermine de manière unique le comportement entrée-sortie de la LFR résultante, (iii) les modèles ALPV structurellement identifiables fournissent des LFRs structurellement identifiables et vice versa. Nous caractérisons ensuite les LFRs qui correspondent á des modèles ALPV équivalents basés sur leurs applications entrées-sorties. Comme illustré tout au long du manuscrit, ces résultats ont des conséquences importantes pour l’identification et la commande des systèmes LPV. / In this thesis, important concepts related to the identification of Linear Parameter-Varying (LPV) systems are studied.First, we tackle the problem of identifiability of Affine-LPV (ALPV) state-space parametrizations. A new sufficient and necessary condition is introduced in order to guarantee the structural identifiability for ALPV parameterizations. The identifiability of this class of parameterizations is related to the lack of state-space isomorphisms between any two models corresponding to different scheduling parameter values. In addition, we present a sufficient and necessary condition for local structural identifiability, and a sufficient condition for (global) structural identifiability which are both based on the rank of a model-based matrix. These latter conditions allow systematic verification of structural identifiability of ALPV models. Moreover, since local identification techniques are inevitable in certain applications, it is thus a priority to study the discrepancy between different LPV models obtained using different local techniques. We provide an analytic error bound on the difference between the input-output behaviors of any two LPV models which are frozen equivalent. This error bound turns out to be a function of both (i) the speed of the change of the scheduling signal and (ii) the discrepancy between the coherent bases of the two LPV models. In particular, the difference between the outputs of the two models can be made arbitrarily small by choosing a scheduling signal which changes slowly enough.Finally, we introduce and study important properties of the transformation of ALPV statespace representations into Linear Fractional Representations (LFRs). More precisely, we show that (i) state minimal ALPV representations yield minimal LFRs, and vice versa, (ii) the inputoutput behavior of the ALPV representation determines uniquely the input-output behavior of theresulting LFR, (iii) structurally identifiable ALPV models yield structurally identifiable LFRs, and vice versa. We then characterize LFRs which correspond to equivalent ALPV models based on their input-output maps. As illustrated all along the manuscript, these results have important consequences for identification and control of LPV systems.

Les systèmes décrits par les équations aux dérivées partielles, appartiennent à la classe des systèmes dynamiques impliquant des fonctions dépendantes de plusieurs variables, comme le temps et l'espace. Déjà fortement répandus pour la modélisation mathématique de phénomènes physiques et environnementaux, ces systèmes ont un rôle croissant dans les domaines de l'automatique. Cette expansion, provoquée par les avancées technologiques au niveau des capteurs facilitant l'acquisition de données et par les nouveaux enjeux environnementaux, incite au développement de nouvelles thématiques de recherche. L'une de ces thématiques, est l'étude des problèmes inverses et plus particulièrement l'identification paramétrique des équations aux dérivées partielles. Tout abord, une description détaillée des différentes classes de systèmes décrits par ces équations est présentée puis les problèmes d'identification qui leur sont associés sont soulevés. L'accent est mis sur l'estimation paramétrique des équations linéaires, homogènes ou non, et sur les équations linéaires à paramètres variant. Un point commun à ces problèmes d'identification réside dans le caractère bruité et échantillonné des mesures de la sortie. Pour ce faire, deux types d'outils principaux ont été élaborés. Certaines techniques de discrétisation spatio-temporelle ont été utilisées pour faire face au caractère échantillonné des données; les méthodes de variable instrumentale, pour traiter le problème lié à la présence de bruit de mesure. Les performances de ces méthodes ont été évaluées selon des protocoles de simulation numérique reproduisant des situations réalistes de phénomènes physique et environnementaux, comme la diffusion de polluant dans une rivière.

L’identité de Ward est une relation qui permet d’identifier unmilieu de propagation linéaire dissipatif, c'est-à-dire d'estimer des paramètres qui le caractérisent. Dans les travaux exposés, cette identité est utilisée pour proposer de nouveaux modèles d’observation caractérisant un contexte d’estimation qualifié de passif : les sources qui excitent le système ne sont pas contrôlées par l’utilisateur. La théorie de l’estimation/détection dans ce contexte est étudiée et des analyses de performances sont menées sur divers estimateurs. La portée applicative des méthodes proposées concerne le domaine du Structural Health Monitoring (SHM), c’est-à-dire le suivi de l’état de santé desbâtiment, des ponts... L'approche est développée pour la modalité acoustique aux fréquences audibles, cette dernière s'avérant complémentaire des techniques de l’état de l’art du SHM et permettant entre autre, d’accéder à des paramètres structuraux et géométriques. Divers scénarios sont illustrés par la mise en oeuvre expérimentale des algorithmes développés et adaptés à des contraintes de calculs embarqués sur un réseau de capteurs autonome. / Ward identity is a relationship that enables damped linear system identification, ie the estimation its caracteristic properties. This identity is used to provide new observation models that are available in an estimation context where sources are uncontrolled by the user. An estimation and detection theory is derived from these models and various performances studies areconducted for several estimators. The reach of the proposed methods is extended to Structural Health Monitoring (SHM), that aims at measuring and tracking the health of buildings, such as a bridge or a sky-scraper for instance. The acoustic modality is chosen as it provides complementary parameters estimation to the state of the art in SHM, such as structural and geometrical parameters recovery. Some scenarios are experimentally illustrated by using the developed algorithms, adapted to fit the constrains set by embedded computation on anautonomous sensor network.

Les applications utilisant les procédés de fabrication directe par laser et projection de poudre sont en pleine expansion, en particulier, dans l'aéronautique. Néanmoins, cette technologie prometteuse fait état de quelques points durs et est confrontée aux problèmes d'instabilités du procédé. Lorsque ces phénomènes ne sont pas maîtrisés, cela conduit à des défauts (résistances mécaniques insuffisantes, porosités trop importantes, mauvais états de surface,….etc), qui, selon leur répartition et leur taille, risquent d'engendrer des non conformités, de détériorer les caractéristiques mécaniques des pièces et qui peuvent représenter un coût de post-traitement non négligeable. Par conséquent, il est primordial de maîtriser le procédé d'élaboration, afin de rendre le procédé de fabrication robuste et préserver l'intégrité structurelle de la pièce. Cela requiert la mise en place de système d'instrumentation du procède de projection laser, et par l'intermédiaire du contrôle procédé, d'avoir un système de commande temps réel permettant d'adapter les paramètres procédés en cours d'élaboration, afin de de maintenir une haute qualité de la pièce fabriquée. Dans cette perspective, nous avons développé une solution technologique (matérielle et algorithmique) à base de caméras (vision) permettant de suivre des paramètres clefs lors de la fabrication. L'application de ce système de vision a permis la mise en œuvre de méthodes innovantes, utilisant des outils de l'automatique moderne, pour surveiller l'état de pièces projetées, voire même corriger leurs défauts lors de la fabrication, en ayant un suivi et un contrôle du procédé en temps réel. De plus ce système de vision a permis à partir de mesures effectuées sur les entrées et les sorties du procédé, d'identifié un modèle dynamique qui ont conduit à la réalisation du système de contrôle procédé. / Applications using the direct metal deposition laser process have been expanded rapidly, particularly in aeronautics. However, this promising technology reported some difficult points and faced several problems, mainly the process instability. When these phenomena are not controlled, several defects was obtained (lack of mechanical strength, excessive porosity, poor surface, ... etc.). According to their distribution and size, non-conformity, deteriorate the mechanical characteristics of the parts was recorded and result in a significant cost of post-processing. Therefore, it is important to control the process, to make the process both robust and preserve the structural integrity of the piece. This requires the development of instrumentation through the control process, in order to have a real-time system able to adjust the process parameters to keep a high quality of the manufactured part. In this perspective, the studied thesis developed a technological solution (hardware and algorithms) based on cameras (vision) to monitor key parameters during manufacture. The application of this vision system has been allowed for the implementation of innovative methods by using modern automatic tools to monitor the status of the built part or even correct their defects during the manufacture parts, having a monitoring and process control in real time. Furthermore this vision system performed measurements for the inputs and outputs of the process, matched to a dynamic model that lead to the realization of the process control system.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire est une contribution à l'estimation des modèles Linéaires à Paramètres Variants (LPV) à temps continu. Dans un premier temps, il traite de façon originale la modélisation quasi-LPV des échangeurs de chaleur pour la détection d'encrassement durant les régimes transitoires. La méthodologie définie dans cette thèse est introduite pas à pas pour caractériser un échangeur à courants croisés puis pour celle d'un échangeur à contre-courants montrant ainsi la généricité de l'approche pour la modélisation des échangeurs thermiques. Une méthode locale basée sur une estimation initiale de modèles LTI en différents points du domaine de fonctionnement est utilisée pour construire le modèle LPV en agrégeant les paramètres des différents modèles locaux grâce à une méthode d'interpolation polynomiale liée aux débits massiques. Le modèle quasi-LPV de l'échangeur élaboré en fonctionnement sain permet ainsi d'envisager la détection de l'encrassement dans les échangeurs de chaleur en comparant ses sorties à ceux provenant du procédé. Dans un second temps, ce travail porte sur l'identification des systèmes LPV à représentation entrée-sortie à temps continu par une approche globale. Une solution pratique pour l'identification directe de tels systèmes est proposée. Elle est basée sur l'utilisation d'un algorithme à erreur de sortie initialisé par une approche à erreur d'équation, la méthode des Moments Partiels Réinitialisés. Des simulations illustrent les performances de l'approche proposée. / The research work presented in this thesis is a contribution to the estimation of Linear Parameter Varying (LPV) models in continuous-time. First, a quasi-LPV modeling of heat exchangers is tackled in an original way. This quasi-LPV model is meant to be used for fouling detection (during transient phases). A step-by-step description of the methodology is given on how to model a cross flow heat exchanger. Applying the same approach on a counter flow shows its genericity in the heat exchanger field. A local method, based on an estimation of LTI models for different operating points, is used to build the LPV model by interpolation of the various LTI model parameters. The resulting quasi-LPV model for a clean heat exchanger can thus be used for fouling detection by comparison of real and model outputs for the same input signals. Secondly, this work concerns the identification of continuous-time input-output LPV systems through a global approach. A practical solution for the direct identification of such systems is proposed. It is based on the use of an output-error algorithm initialized by an equation error based approach, the reinitialized partial moment's method. Simulations illustrate the performance of the proposed approach.

Les bioprocédés ont connu un essor considérable au cours de ces dernières années et sont promis à un bel avenir. Qu'il s'agisse de la production de vaccins, de la fermentation de levures pour l'industrie alimentaire ou encore de l'épuration biologique des eaux usées, les applications sont nombreuses et les produits sont d'un intérêt capital pour l'être humain. Étant donnés le coût et le temps de mise en oeuvre de ces procédés, il est particulièrement utile de construire des simulateurs permettant de reproduire le comportement macroscopique des cultures cellulaires utilisées. Ces simulateurs peuvent servir à déterminer des conditions optimales de fonctionnement (en fonction des critères de l'utilisateur) et à tester certains outils (régulateurs, capteurs logiciels, etc.). Par ailleurs, il est nécessaire, pour le suivi et la régulation de ces procédés, de disposer de grandeurs mesurées (concentrations cellulaires, en substrats, en le produit d'intérêt, etc.). Les problèmes liés à la mesure matérielle de ces grandeurs sont nombreux: coût des capteurs, destruction des échantillons, longues périodes d'échantillonnage, temps d'analyse élevés, etc. Il est dès lors utile de construire des observateurs d'états (ou capteurs logiciels) fournissant une estimation en temps continu de grandeurs non mesurées sur la base d'un modèle mathématique et de certaines mesures matérielles.<p><p>Les modèles mathématiques sont nécessaires pour la synthèse des deux types d'outils envisagés dans ce travail (simulateurs et capteurs logiciels). Les modèles utilisés consistent en les bilans massiques des constituants apparaissant dans le schéma réactionnel, ce dernier contenant les réactions essentielles pour la description des phénomènes à l'échelle macroscopique. Au sein de ces bilans massiques, une nouvelle structure générale de modèle cinétique est proposée, possédant un certain nombre de propriétés intéressantes, telles l'interprétation physique des paramètres cinétiques, les concentrations définies positives sous certaines conditions, la garantie de stabilité entrées bornées - états bornés, ou encore la possibilité de linéarisation en les paramètres à estimer.<p><p>Une méthodologie générale d'estimation paramétrique est proposée, afin d'identifier les coefficients pseudo-stoechiométriques, les coefficients cinétiques et certains paramètres expérimentaux (concentrations initiales des cultures). Cette méthodologie possède un caractère systématique, prend en compte les erreurs de mesure sur l'ensemble des signaux (y compris à l'instant initial), fournit à l'utilisateur la covariance des erreurs d'estimation paramétrique, prend en compte intrinsèquement les contraintes de signe sur les paramètres, fournit une estimation des erreurs de simulation, permet de réduire le nombre d'équations différentielles au sein du modèle, etc. La mise en oeuvre et l'intérêt de ces outils sont illustrés en simulation (cultures bactériennes) et dans le cas d'une application réelle (cultures de cellules animales CHO).<p><p>La première catégorie d'observateurs d'états étudiée dans ce travail est celle des observateurs utilisant pleinement le modèle cinétique. L'observation d'états basée sur l'identification des conditions initiales les plus vraisemblables est plus particulièrement analysée. Elle consiste à estimer en temps continu l'entièreté de l'état par intégration d'un modèle de simulation au départ des conditions initiales les plus vraisemblables. Ces dernières sont identifiées à chaque nouvel instant de mesure sur la base de toute l'information disponible jusqu'à cet instant. Certaines propriétés mathématiques sont étudiées (dont une comparaison avec le filtre de Kalman) et un certain nombre d'extensions de la méthode sont proposées (dont une version récurrente qui ne nécessite plus de résoudre un problème d'optimisation non linéaire à chaque nouvel instant de mesure). Ces outils sont à nouveau illustrés dans le cadre des cultures de cellules animales CHO, et se basent sur les modèles de simulation développés dans la première partie du travail.<p><p>Étant donné les risques de divergence des observateurs de cette première catégorie lorsque la qualité du modèle cinétique n'est pas suffisante, une seconde catégorie est envisagée, constituée des observateurs utilisant partiellement le modèle cinétique. Dans ce contexte, un nouvelle technique est proposée consistant en un observateur hybride entre le filtre de Kalman étendu (utilisant pleinement le modèle cinétique) et l'observateur asymptotique de Bastin et Dochain (n'utilisant pas du tout le modèle cinétique). Cette structure estime (conjointement avec l'état du système) un degré de confiance en le modèle cinétique. Elle est capable d'évoluer de façon progressive, en fonction de ce degré de confiance, entre les deux solutions extrêmes (filtre de Kalman et observateur asymptotique), tirant ainsi parti des avantages respectifs de ces deux méthodes selon les conditions opératoires et la qualité du modèle cinétique. Ces outils sont validés sur des cultures bactériennes simulées.<p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished