La commande de systèmes physiques s’avère être une tâche difficile en général. En fonction du modèle choisi, les outils mathématiques pour l’analyse et la conception de lois de commande peuvent changés. Pour les systèmes décrits par une représentation entrée-sortie, type transfert, ou par une équation de type état, les principales informations exploitées lors de la phase d’analyse concerne la structure interne du modèle (structure finie) et la structure externe (structure à l’infini) qui permettent avant la phase de synthèse de connaître, sur le modèle en boucle ouverte, les propriétés des lois de commande envisagées ainsi que les propriétés du système piloté (stabilité…).Le travail porte principalement sur l’étude des zéros invariants des systèmes physiques représentés par bond graph, en particulier dans un contexte de modèle type LTV. L’approche algébrique est essentielle dans ce contexte car même si les aspects graphiques restent très proches du cas linéaire classique, l’extension aux modèles LTV reste très complexe d’un point de vue mathématique, en particulier pour le calcul de racines de polynômes. De nouvelles techniques d’analyse des zéros invariants utilisant conjointement l’approche bond graph (exploitation de la causalité) et l’approche algébriques ont permis de mettre en perspective certains modules associés à ces zéros invariants et de clarifier le problème d’annulation des grandeurs de sortie. L’application aux problèmes d’observateurs à entrées inconnues a permis d’illustrer nos propos sur des exemples physiques, avec certaines extensions, problèmes pour lesquels les zéros invariants apparaissent aussi comme éléments essentiels / The control synthesis of physical systems is a complex task because it requires the knowledge of a "good model" and according to the choice of a model some specific tools must be developed. These tools, mainly developed from a mathematical and theoretical point of view, must be used from the analysis step (analysis of model properties) to the control synthesis step. It is well-known that in many approaches, the properties of the controlled systems can be analyzed from the initial model. If the system is described with an input-output representation or with a state space representation, two kinds of information are often pointed out: the external structure (infinite structure) and the internal structure (finite structure). The first one is often related to the existence of some control strategies (input-output decoupling, disturbance decoupling...) and the second one gives some focus on the stability property of the controlled system.In this report, the focus has been on the study of invariant zeros of bond graph models in the context of LTV models. The algebraic approach was essential because, even if the problem is already solved for LTI bond graph models, the extension to LTV models is not so easy. The simultaneous use of algebraic and graphical approaches has been proven to be effective and convenient to solve this problem. First, some tools from the algebraic approach have been recalled in chapter one and results for the study of invariant zeros of LTI bond graph models recalled in chapter two. Some new developments are proposed in chapter three and some applications for the unknown input observer problem with some physical applications conclude this work

La mesure de micro- et nano-force fait partie des mesures nécessaires à la caractérisation des interactionsou des propriétés mécaniques intervenant à l’échelle micrométrique. Dans cette optique,nous avons poursuivi un travail de conception initié au Laboratoire d’Automatique de Besançon en2002 pour développer un prototype avancé de capteur de micro- et nano-force par lévitation diamagnétique.Le transducteur force-déplacement de ce capteur est un microcapillaire rigide en verred’une dizaine de centimètres. Ce microcapillaire est en lévitation passive stable dans l’espace grâceà l’action conjuguée de forces magnétiques et diamagnétiques créant ainsi un ressort magnétiquevirtuel. La mesure d’une force externe appliquée à l’extrémité du capillaire est rendue possible grâceà la connaissance de la mesure du déplacement du capillaire et de la raideur du ressort magnétique.La plage de mesure de ce capteur varie entre ±40 μN avec une résolution de l’ordre du nanonewton.Les avancées présentées dans ce manuscrit ont porté sur la détermination des efforts diamagnétiquesengendrés par l’utilisation des plaques de graphite. Ce travail a permis une optimisation dudesign global du dispositif et son transfert à l’entreprise STIL SA. De plus un processus d’estimationpar déconvolution a été développé pour tenir compte du comportement dynamique du micro capillaireet des bruits de mesure du déplacement. Les domaines d’applications potentiels de ce dispositifconcernent notamment la caractérisation des interactions mécaniques quasi-statiques pouvant intervenirentre deux micro-objets et la détermination de propriétés mécaniques propres à un micro-objet. / The measurement of micro- and nano-force is necessary to characterize the mechanical propertiesand interactions occurring at micrometer scale. In this context, we work on an advanced design ofmicro- and nano-force sensor based on diamagnetic levitation initiated at Laboratoire d’Automatiquede Besançon in 2002. The force-displacement transducer of this sensor is a ten centimeter long glassmicro capillary. This micro capillary levitates passively and stably thanks to the combined action ofmagnetic and diamagnetic forces which create a virtual magnetic spring. Measuring an external forceapplied to the end of the capillary is made possible through knowledge of the capillary displacementand the stiffness of magnetic spring. The measuring range of the sensor varies between ±40 μN witha resolution about a nanonewton. Advances presented in this thesis focused on the determinationof the diamagnetic forces generated by the use of graphite plates. This work has allowed us tooptimize the overall design of the device and transfer it to our industrial partner STIL SA. Moreovera deconvolution estimation process was developed to take into account the dynamic behavior of themicro capillary and measurement noises. Potential fields of application of this device concern themechanical characterization of quasistatic interactions which may occur between two micro-objectsand the determination of intrinsic mechanical properties of a micro-object

Environ 30% des CDS prédits d'un génome code pour des protéines de fonction inconnue ou hypothétiques. La compréhension du rôle de ces protéines est donc l'un des grands challenges de la communauté scientifique.L'objectif principal de cette thèse est de comprendre la fonction de six protéines de fonction inconnue spécifiques de l'anaérobiose formant un complexe, appelé complexe ORP chez Desulfovibrio vulgaris Hildenborough (DvH). Ce système est répandu dans de nombreuses espèces anaérobies, et certaines de ses protéines possèdent des homologies significatives avec des protéines impliquées dans la division cellulaire.Des outils de microscopie dédiés à l'anaérobiose ont été développés au cours de cette thèse et ont permis, pour la première fois, l'observation du cycle cellulaire de DvH. L'étude de l'effet de l'oxygène à l'échelle de la cellule unique a montré une inhibition réversible de la division cellulaire en présence d'oxygène révélant une nouvelle stratégie impliquée dans l'aérotolérance de DvH.Chez DvH, le complexe ORP est codé par des gènes organisés en deux opérons divergents, orp1 et orp2, dont la transcription est gouvernée par l'ARN polymérase sigma54, le facteur de transcription IHF et l'activateur de transcription DVU2106.La diminution de la quantité de complexe ORP conduit à une hétérogénéité de la taille des cellules en accord avec un rôle potentiel du complexe dans le contrôle de la division cellulaire. Alors que l'absence de certaines protéines ORP n'affecte pas de manière significative la division de la bactérie en anaérobiose, la protéine DVU2109 présente une localisation dynamique au cours du cycle cellulaire et semble être essentielle chez DvH. / Up to now, approximately 30% of the predicted CDS in genomes encode for hypothetical or unknown function proteins. Understanding the role and the function of these proteins is now a major challenge for the scientific community.The main objective of this thesis is to determine the function of six proteins of unknown function specific of anaerobiosis and able to forming a multiprotein complex in Desulfovibrio vulgaris Hildenborough (DvH), named the ORP complex. This system is widely found in many anaerobic microorganisms, and some proteins of this system have significant homologies with proteins involved in cell division.Tools for microscopy in anaerobiosis have been developed during this thesis and have allowed observation, for the first time, of a complete DvH cell cycle. The study of oxygen effect on DvH at a single cell level has showed a reversible inhibition of cell division during oxygen exposure revealing a new strategy involved in DvH aerotolerance.In DvH, the ORP complex is encoding by genes organized in two divergent operons, orp1 and orp2, whose transcription is governed by sigma 54 RNA polymerase, the transcription factor IHF and the transcriptional regulator DVU2106. The decreased in the amount of ORP complex leads to heterogeneity of the cell size in accordance with a potential role of this complex in the spatio-temporal control of DvH cell division. While the absence of the majority of ORP proteins doesn't significantly affect DvH division in anaerobic conditions, the protein DVU2109 has a dynamic location during cell cycle and appears to be essential in the cell.

L’objectif de cette thèse est le développement d’un nouveau capteur de forcemulti-axes destiné à mesurer les composantes de friction impliquées dans lecontact doigt/objet lors la micromanipulation dextre. Des études théoriques etdes simulations par éléments finis ont conduit à la conception de ce capteurMEMS piézorésistif composé d’une plate-forme centrale munie d’une microbille,entourée d’une table compliante. D’après les résultats de simulations, ce capteur estcapable de mesurer indépendamment les forces normales et de frottement (couplageréciproque inférieure à 1%) avec une bonne sensibilité. Différents runs de fabricationnous ont permis d’obtenir des dispositifs exploitables. La structure mécanique de cescapteurs a été validée par la mesure des fréquences de résonance qui sont en accordavec les résultats de simulation. Des premiers résultats expérimentaux en termesde mesure de force ont ensuite été obtenus grâce au développement d’un banc detest (structure robotique, actionneurs, caméras, etc.). Nous nous sommes égalementintéressés à la problématique de l’étalonnage des capteurs de micro et nanoforceà l’aide de ressorts magnétiques reliés à des masses mesurables. Nous avons, danscette optique, mis au point une stratégie d’estimation et de compensation passivedes perturbations mécaniques en utilisant un principe différentiel. Cette approchea été appliquée à un capteur de nanoforce basé sur la lévitation diamagnétique et aabouti à des résultats prometteurs : une résolution inférieure au nanonewton a puêtre obtenue. / Sensor enabling to characterize the finger/object contact involved in dexterousmicromanipulation. Theoretical studies and finite elements simulations have lead tothe conception of this piezoresistive MEMS sensor composed of a central platformwith a micro-ball and surrounded by a compliant table. According to the simulationresults, this sensor is able to independently measure the normal and friction forces(crosstalk less than 1 %) with a good sensitivity. Several runs of fabrication allowedus to obtain usable devices. The mechanical structure of such sensors has beenvalidated by the measurement of resonance frequencies that are consistent with thesimulation results. The first experimental results in terms of force measurement werethen obtained through the development of a test bench (robotic structure, actuators,cameras, etc.). We were also interested in the problem of calibration of micro andnanoforce sensors using magnetic springs connected to measurable masses. In thiscontext, we developed an estimation strategy and a passive rejection of mechanicaldisturbances using a differential principle. This approach was applied to a nanoforcesensor based on the diamagnetic levitation and yielded promising results: a resolutionlower the nanonewton level could be obtained.

Beaucoup de services vitaux de la vie quotidienne dépendent de systèmes d'ingénierie hautement complexes et interconnectés; Ces systèmes sont constitués d'un grand nombre de capteurs interconnectés, d'actionneurs et de composants du système. L'étude des systèmes interconnectés joue un rôle important dans l'étude de la fiabilité des systèmes dynamiques; car elle permet d'étudier les propriétés d'un système interconnecté en analysant ses sous-composants moins complexes. Le diagnostic des pannes est essentiel pour assurer des opérations sûres et fiables des systèmes de contrôle interconnectés. Dans toutes les situations, le système global et / ou chaque sous-système peuvent être analysés à différents niveaux pour déterminer la fiabilité du système global. Dans certains cas, il est important de déterminer les informations anormales des variables internes du sous-système local, car ce sont les causes qui contribuent au fonctionnement anormal du processus global. Cette thèse porte sur les défis de l'application de la théorie inverse du système et des techniques FDD basées sur des modèles pour traiter le problème articulaire du diagnostic des fautes et de l'analyse des causes racines (FD et RCA). Nous étudions ensuite le problème de l'inversibilité de la gauche, de l'observabilité et de la diagnosticabilité des fauts du système interconnecté, formant un algorithme FD et RCA multi-niveaux basé sur un modèle. Ce système de diagnostic permet aux composants individuels de surveiller la dynamique interne localement afin d'améliorer l'efficacité du système et de diagnostiquer des ressources de fautes potentielles pour localiser un dysfonctionnement lorsque les performances du système global se dégradent. Par conséquent, un moyen d'une combinaison d'intelligence locale avec une capacité de diagnostic plus avancée pour effectuer des fonctions FDD à différents niveaux du système est fourni. En conséquence, on peut s'attendre à une amélioration de la localisation des fauts et à de meilleurs moyens de maintenance prédictive. La nouvelle structure du système, ainsi que l'algorithme de diagnostic des fautes, met l'accent sur l'importance de la RCA de défaut des dispositifs de terrain, ainsi que sur l'influence de la dynamique interne locale sur la dynamique globale. Les contributions de cette thèse sont les suivantes: Tout d'abord, nous proposons une structure de système non linéaire interconnecté inversible qui garantit le fauts dans le sous-système de périphérique de terrain affecte la sortie mesurée du système global de manière unique et distincte. Une condition nécessaire et suffisante est développée pour assurer l'inversibilité du système interconnecté qui nécessite l'inversibilité de sous-systèmes individuels. Deuxièmement, un observateur interconnecté à deux niveaux est développé; Il se compose de deux estimateurs d'état, vise à fournir des estimations précises des états de chaque sous-système, ainsi que l'interconnexion inconnue. En outre, il fournira également une condition initiale pour le reconstructeur de données et le filtre de fauts local une fois que la procédure FD et RCA est déclenchée par tout fauts. D'une part, la mesure utilisée dans l'estimateur de l'ancien sous-système est supposée non accessible; La solution est de la remplacer par l'estimation fournie par l'estimateur de ce dernier sous-système. / Many of the vital services of everyday life depend on highly complex and interconnected engineering systems; these systems consist of large number of interconnected sensors, actuators and system components. The study of interconnected systems plays a significant role in the study of reliability theory of dynamic systems, as it allows one to investigate the properties of an interconnected system by analyzing its less complicated subcomponents. Fault diagnosis is crucial in achieving safe and reliable operations of interconnected control systems. In all situations, the global system and/or each subsystem can be analyzed at different levels in investigating the reliability of the overall system; where different levels mean from system level down to the subcomponent level. In some cases, it is important to determine the abnormal information of the internal variables of local subsystem, in order to isolate the causes that contribute to the anomalous operation of the overall process. For example, if a certain fault appears in an actuator, the origin of that malfunction can have different causes: zero deviation, leakage, clogging etc. These origins can be represented as root cause of an actuator fault. This thesis concerns with the challenges of applying system inverse theory and model based FDD techniques to handle the joint problem of fault diagnosis & root cause analysis (FD & RCA) locally and performance monitoring globally. By considering actuator as individual dynamic subsystem connected with process dynamic subsystem in cascade, we propose an interconnected nonlinear system structure. We then investigate the problem of left invertibility, fault observability and fault diagnosability of the interconnected system, forming a novel model based multilevel FD & RCA algorithm. This diagnostic algorithm enables individual component to monitor internal dynamics locally to improve plant efficiency and diagnose potential fault resources to locate malfunction when operation performance of global system degrades. Hence, a means of acombination of local intelligence with a more advanceddiagnostic capability (combining fault monitoring anddiagnosis at both local and global levels) to performFDDfunctions on different levels of the plantis provided. As a result, improved fault localization and better predictive maintenance aids can be expected. The new system structure, together with the fault diagnosis algorithm, is the first to emphasize the importance of fault RCA of field devices, as well as the influences of local internal dynamics on the global dynamics. The developed model based multi-level FD & RCA algorithm is then a first effort to combine the strength of the system level model based fault diagnosis with the component level model based fault diagnosis. The contributions of this thesis include the following: Firstly, we propose a left invertible interconnected nonlinear system structure which guarantees that fault occurred in field device subsystem will affect the measured output of the global system uniquely and distinguishably. A necessary and sufficient condition is developed to ensure invertibility of the interconnected system which requires invertibility of individual subsystems. Second, a two level interconnected observer is developed which consists of two state estimators, aims at providing accurately estimates of states of each subsystem, as well as the unknown interconnection. In addition, it will also provide initial condition for the input reconstructor and local fault filter once FD & RCA procedure is triggered by any fault. Two underlyingissues are worth to be highlighted: for one hand, the measurement used in the estimator of the former subsystem is assumed not accessible; the solution is to replace it by the estimate provided by the estimator of the latter subsystem. In fact, this unknown output is the unknown interconnection of the interconnected system, and also the input of the latter subsystem.