With advances in technology and the increasing use of power electronic components in the design of household and industrial equipment, harmonic distortion has become one of the major power quality problems in power systems. Identifying the harmonic sources and quantifying the contributions of these harmonic sources provides utility companies with the information they require to effectively mitigate harmonics in the system. This thesis proposes the use of observers for harmonic estimation and harmonic source identification. An iterative observer algorithm is designed for performing harmonic estimation in measured voltage or current signals taken from a power distribution system. The algorithm is based on previous observer designs for estimating the power system states at the fundamental frequency. Harmonic estimation is only carried out when the total harmonic distortion (THD) exceeds a specified threshold. In addition, estimation can be performed on multiple measurements simultaneously. Simulations are carried out on an IEEE distribution test feeder. A number of scenarios such as changes in harmonic injections with time, variations in fundamental frequency and measurement noise are simulated to verify the validity and robustness of the proposed iterative observer algorithm. Furthermore, an observer-based algorithm is proposed for identifying the harmonic sources in power distribution systems. The observer is developed to estimate the system states for a combination of suspicious nodes and the estimation error is analysed to verify the existence of harmonic sources in the specified node combinations. This method is applied to the identification of both single and multiple harmonic sources. The response of the observer-based algorithm to time varying load parameters and variations in harmonic injections with time is investigated and the results show that the proposed harmonic source identification algorithm is able to adapt to these changes. In addition, the presence of time delay in power distribution system measurements is taken into consideration when identifying harmonic sources. An observer is designed to estimate the system states for the case of a single time delay as well as multiple delays in the measurements. This observer is then incorporated into the observer-based harmonic source identification algorithm to identify harmonic sources in the presence of delayed measurements. Simulation results show that irrespective of the time delay in the measurements, the algorithm accurately identifies the harmonic sources in the power distribution system.

A recording of the defense presentation for this dissertation is available at: http://hdl.handle.net/10754/625197 / Steady-state elliptic partial differential equations (PDEs) are frequently used to model a diverse range of physical phenomena. The source and boundary data estimation problems for such PDE systems are of prime interest in various engineering disciplines including biomedical engineering, mechanics of materials and earth sciences. Almost all existing solution strategies for such problems can be broadly classified as optimization-based techniques, which are computationally heavy especially when the problems are formulated on higher dimensional space domains. However, in this dissertation, feedback based state estimation algorithms, known as state observers, are developed to solve such steady-state problems using one of the space variables as time-like. In this regard, first, an iterative observer algorithm is developed that sweeps over regular-shaped domains and solves boundary estimation problems for steady-state Laplace equation. It is well-known that source and boundary estimation problems for the elliptic PDEs are highly sensitive to noise in the data. For this, an optimal iterative observer algorithm, which is a robust counterpart of the iterative observer, is presented to tackle the ill-posedness due to noise. The iterative observer algorithm and the optimal iterative algorithm are then used to solve source localization and estimation problems for Poisson equation for noise-free and noisy data cases respectively. Next, a divide and conquer approach is developed for three-dimensional domains with two congruent parallel surfaces to solve the boundary and the source data estimation problems for the steady-state Laplace and Poisson kind of systems respectively. Theoretical results are shown using a functional analysis framework, and consistent numerical simulation results are presented for several test cases using finite difference discretization schemes.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la disposition CIFRE entre la société Robert Bosch et l’Université de Caen Normandie au sein du laboratoire GREYC puis LAC. Elle comprend deux volets, l'un étant à caractère fondamental et porte sur la synthèse d'observateurs. Quant à l'autre volet, il est à caractère plus appliqué et porte sur la mise en œuvre d’un réseau de capteurs et assurer l’acheminement des informations provenant de ces derniers. Ce dernier est effectué au moyen du réseau, qu’il soit câblé ou sans fil.Dans le premier volet de l'étude, on s'est intéressé à une classe assez générale de systèmes temps-variant et affines en l'état, dont la sortie est mesurée avec un retard et échantillonnée. La nouveauté dans cette classe de systèmes est double :(i) l'équation d'état est sujette à une injection du signal de sortie et se retrouve de ce fait dépendante des sorties futures qui sont indisponibles;(ii) les sorties futures interviennent, au niveau de l'équation d'état, non seulement sous la forme usuelle d'une fonction indépendante de l'état, mais aussi à travers la matrice d'état ellemême qui, de ce fait, apparaît comme une quantité inconnue du modèle.Ces deux nouveautés du modèle entrainent en fait la perte du caractère « affine en l'état » de ce dernier et font que l'on se retrouve confronté à un problème de synthèse d'observateurs jamais résolu antérieurement. La solution que nous proposons est un observateur de type « Filtre de Kalman » augmenté d'un prédicteur inter-échantillons et d'opérateurs de saturations. Nous analysons la stabilité exponentielle du système d'erreur d'estimation d'état en utilisant le théorème du petit gain et des outils de la stabilité de Lyapunov. L'analyse met en évidence l'existence d'intervalles d'admissibilité dans lesquels doivent se situer les valeurs admissibles du retard et de la période d'échantillonnage, afin de garantir la convergence exponentielle de l'observateur.Dans le deuxième volet, nous nous intéressons à la maintenance prédictive au travers d’applications pratiques via la mise en place d’un réseau de capteurs. Le but de ce réseau est d’effectuer de la maintenance prédictive sur les équipements sensibles. Ce dernier est un composant essentiel à la mise en œuvre d’applications IoT et Industrie 4.0.Des applications de l’IoT et de l’Industrie 4.0 sur le site Robert Bosch de Mondeville sont évoqués ainsi que le développement d’un simulateur de perturbations réseau afin de tester la robustesse de la communication d’un capteur vers un client. / This thesis is part of the CIFRE agreement between the company Robert Bosch and the University of Caen Normandy in the laboratory GREYC then LAC. It consists of two parts, one which is of a fundamental nature and concerns the synthesis of observers. For the other part, it is more applied and concerns the implementation of a sensors network and ensure the routing of information from them. This is done through the network, whether wired or wireless.In the first part of the study, we looked at a fairly general class of time-varying and affine systems as they are, whose output is measured with a delay and sampled. The novelty in this class of systems is twofold:(i) the state equation is subject to an output signal injection and is therefore dependent on future outputs that are unavailable;(ii) future outputs occur at the state equation not only in the usual form of a stateindependent function, but also through the state matrix itself, which fact, appears as an unknown quantity of the model.These two novelties of the model cause in fact the loss of the "affine in the state" character of this last one, and make that one is confronted with a synthesis problem of observers never resolved previously. The solution we propose is a "Kalman filter" type observer augmented by an inter-sample predictor and saturation operators. We analyze the exponential stability of the state estimation error system by using the small gain theorem and tools of Lyapunov stability. The analysis highlights the existence of eligibility intervals in which the allowable values of the delay and the sampling period must be located in order to ensure the exponential convergence of the observer.In the second part, we are interested in predictive maintenance through practical applications via the installation of a sensor network. The purpose of this network is to perform predictive maintenance on sensitive equipment. The latter is an essential component for the implementation of IoT and Industry 4.0 applications.The purpose of this sensor network is to perform predictive maintenance on sensitive equipment. The latter is an essential component for the implementation of IoT and Industry 4.0 applications. Moreover, an observer of sampled data for affine systems in the state with output injection was studied on the basis of observers.Applications of IoT and Industry 4.0 on the Robert Bosch site in Mondeville are discussed as well as the development of a network disturbance simulator to stress the robustness of the communication of a sensor to a client.

<p>This thesis aims to design a controller to apply medication to patients with hypothyroidism, a disease that occurs due to the underacting thyroid gland. The body cannot produce sufficient thyroid hormones, which leads to an increase in the production of hormones in the pituitary gland. The thyroid malfunctioning could lead to other associated conditions like nausea, fatigue, heart conditions, higher cholesterol, and elevated blood pressure. Thus, it is essential to ensure that the levels of thyroid hormones, Triiodothyronine (T3) and Thyroxine (T4), are healthy. The production of these hormones is governed by the hypothalamus-pituitary-thyroid (HPT) axis, a part of the endocrine system. This illness cannot be cured but can be regulated entirely through medication. The standard practice to control hypothyroidism in patients is to prescribe a constant daily dosage of synthetic T4 (i.e., levothyroxine) and, in some cases, an additional dose of synthetic T3 (i.e., Liothyronine). In this thesis, simulation studies are performed where two patients with varying levels of hypothyroidism are prescribed constant doses of synthetic hormones. The medications initially help the patients but are unsuccessful in maintaining healthy ranges. Using model predictive control, an observer-controller-based compensator is proposed to prescribe varying medication doses as inputs based on the patient's requirement. The inputs are quantized to be practically implemented in a real patient scenario. This compensator successfully improves the patient's hormone levels toward healthy values and ensures that the hormone trajectories follow the body's circadian rhythm.  </p>

<p>The NOx conversion efficiency of a combined Selective Catalytic Reduction and</p> <p>Ammonia Slip Catalyst (SCR-ASC) in a Diesel Aftertreatment (AT) system degrades with</p> <p>time. A novel model-informed data-driven On-Board Diagnostic (OBD) binary classification</p> <p>strategy is proposed in this paper to distinguish an End of Useful Life (EUL) SCR-ASC catalyst</p> <p>from Degreened (DG) ones. An optimized supervised machine learning model was used for the</p> <p>classification with a calibrated single-cell 3-state Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)</p> <p>observer used for state estimation. The method resulted in 87.5% classification accuracy when</p> <p>tested on 8 day-files from 4 trucks (2 day-files per truck; 1 DG and 1 EUL) operating in realworld on-road conditions.</p>

<p> Motivated by the increasing need to monitor safety-critical systems subject to uncer-<br> tainties, a novel set-membership approach is proposed to estimate the state of a dynamical<br> system with unknown-but-bounded exogenous inputs. By fully utilizing the system struc-<br> tural information, the proposed algorithm can address both computational efficiency and<br> estimation accuracy without requiring restrictive conditions on the system. Particularly,<br> the system is first decomposed into the strongly observable subsystem and the weakly un-<br> observable subsystem. To make full use of the subsystem’s properties, a set-membership<br> observer based on the unknown input observer and an ellipsoidal set-membership observer<br> are designed for the two subsystems, respectively. Then, the resulting set estimates from<br> each subsystem are fused and transformed to obtain the set estimate for the original system,<br> which is guaranteed to bound the actual system state. The conditions for the boundedness<br> of the proposed set estimate are discussed, and the proposed set-membership observer is also<br> tested numerically using illustrative examples.</p>

Cette thèse traite des problèmes d’estimation et de contrôle de cohérence par l’utilisation des techniques ensemblistes. L’objectif est la mise en place d’une démarche méthodologique pour la surveillance et la détection d’anomalies au sein des systèmes où le déterminisme des indicateurs relatifs à l’état de santé du système est une condition sine qua non. Une fois placé dans un contexte ensembliste, l’évolution de chaque variable du système est représentée par une enveloppe traduisant les incertitudes internes et externes ; cette enveloppe représente le seuil au delà duquel le comportement observé représente un écart anormal par rapport à son comportement nominal, et pouvant conduire à une incapacité pour accomplir les objectifs de sa mission. Les techniques développées sont appliquées à un procédé hydraulique de laboratoire . / This work deals with the development of set-membership methods for set esti- mation and consistency checks for nonlinear continuous-time systems. The main objective is to setup a methodology for fault detection and isolation for the systems where the deter- minism of faults indicators on the health system is a necessary condition. Once placed in a set-membership framework, the evolution of each variable is represented by an envelope re?ecting the internal and external uncertainties. This envelope corresponds to the threshold beyond which the observed behavior is an abnormal discrepancy over its nominal behav- ior, thus preventing the accomplishment the mission objectives. The proposed methods are applied on a hydraulic laboratory process.

L'observateur est un outil essentiel pour accéder à l'information, non mesurable directement, d'un système dynamique. Dans le cas des systèmes non linéaires, il y a une grande carence concernant la synthèse d'observateur. Motivée par l'absence d'une solution générique, cette thèse élargit la classe des systèmes non linéaires pour lesquels on peut appliquer les observateurs connus. Dans l'approche adoptée, le système non linéaire est transformé à travers un changement de coordonnées sous forme normale d'observabilité qui a une structure adéquate à la synthèse d'observateurs. Les difficultés liées aux conditions d'existence d'un changement de coordonnées sont mises en évidence et des solutions sont proposées. Par conséquent, la classe des systèmes non linéaires qui peuvent se mettre sous une forme normale d'observabilité est élargie. Dans un premier temps, nous avons proposé une forme normale d'observabilité étendue dépendante de la sortie en augmentant l'espace d'état par des variables auxiliaires. Ainsi, nous avons établi les conditions nécessaires et suffisantes à l'existence d’un changement de coordonnées permettant d’obtenir une telle forme. En outre, nous avons proposé, pour certains modèles, des procédures heuristiques pour la mise sous forme normale d'observabilité étendue dépendante de la sortie. Dans un deuxième temps, nous avons traité la mise sous forme normale d'observabilité d'un système non linéaire partiellement observable. Enfin, nous avons abordé la transformation d'une classe spéciale de systèmes non linéaires sous la forme normale d'observabilité réduite. L'efficacité et l'intérêt des méthodes développées sont établis au travers de plusieurs applications. / Observer is an essential means to access to no-measurable information of a dynamical system. In the case of nonlinear systems, there is a great deficiency concerning the observer design theory. Motivated by the lack of a generic solution to observer design, this thesis enlarges the class of nonlinear systems which admit a standard observer. Using a geometrical approach, the considered nonlinear systems are transformed through a change of coordinates into observer form, which has an adequate structure to the observer design. The difficulties related to the conditions on the existence of such a change of coordinates are highlighted and solutions are proposed. Therefore, the class of nonlinear systems which can be transformed under an observer form is expanded. Firstly, we proposed an extended output depending observer form which does not preserve the size of the original state space and we established the sufficient conditions for the existence of a change of coordinates enabling to construct the proposed form. Moreover, we proposed a heuristic procedure to construct the extended output depending observer form of some models. Secondly, we dealt with the observer form for some partially observable nonlinear systems. Finally, we discussed the transformation into the reduced observer form for a class of nonlinear systems. The efficiency and interest of the developed methods is established through several applications.

Cette thèse aborde l'estimation et la conception de commande de systèmes non linéaires à temps continu. Les méthodologies développées sont basées sur la représentation Takagi-Sugeno (TS) du modèle non linéaire par l'approche du secteur non-linéarité. Toutes les stratégies ont l'intention d'obtenir des conditions plus détendu. Les résultats présentés pour la conception de commande sont divisés en deux parties. La première partie est environ sur les modèles TS standard au titre des schémas de commande basés sur: 1) une fonction de Lyapunov quadratique (QLF); 2) une fonction de Lyapunov floue (FLF); 3) une fonction de Lyapunov intégrale de ligne (LILF); 4) un nouveau fonctionnelle de Lyapunov non-quadratique (NQLF). La deuxième partie concerne des modèles TS descripteurs. Deux stratégies sont proposées: 1) dans le cadre quadratique, des conditions basées sur une loi de commande général et quelques transformations de matrices; 2) une extension de l'approche non quadratique basée sur LILF utilisant un schéma de commande non-PDC et le lemme du Finsler; cette stratégie offre conditions sur la forme d’inégalité matricielles linéaires (LMI) dépendant des paramètres au lieu des contraintes sur la forme d’inégalité matricielles bilinéaires (BMI) pour les systèmes de second ordre. D'autre part, le problème de l'estimation de l'état pour les systèmes non linéaires via modèles TS est également abordé considérant: a) le cas particulier où les vecteurs prémisses sont basées sur les variables mesurées et b) le cas général où les vecteurs prémisse peuvent être basés sur des variables non mesurées. Plusieurs exemples ont été inclus pour illustrer l'applicabilité des résultats obtenus. / This thesis addresses the estimation and controller design for continuous-time nonlinear systems. The methodologies developed are based on the Takagi-Sugeno (TS) representation of the nonlinear model via the sector nonlinearity approach. All strategies intend to get more relaxed conditions.The results presented for controller design are split in two parts. The first part is about standard TS models under control schemes based on: 1) a quadratic Lyapunov function (QLF); 2) a fuzzy Lyapunov function (FLF); 3) a line-integral Lyapunov functions (LILF); 4) a novel non-quadratic Lyapunov functional (NQLF). The second part concerns to TS descriptor models. Two strategies are proposed: 1) within the quadratic framework, conditions based on a general control law and some matrix transformations; 2) an extension to the nonquadratic approach based on a line-integral Lyapunov function (LILF) using non-PDC control law schemes and the Finsler’s Lemma; this strategy offers parameter-dependent linear matrix inequality (LMI) conditions instead of bilinear matrix inequality (BMI) constraints for second-order systems. On the other hand, the problem of the state estimation for nonlinear systems via TS models is also addressed considering: a) the particular case where premise vectors are based on measured variables and b) the general case where premise vectors can be based on unmeasured variables. Several examples have been included to illustrate the applicability of the obtained results.

Ce mémoire de thèse est consacré à la conception de méthodes de diagnostic à base de modèles fondées sur les observateurs pour les systèmes non linéaires modélisés comme des systèmes singuliers (D) linéaires à paramètres variants (LPV), notés D-LPV (Descriptor-Linear Parameter Varying). Les systèmes D-LPV constituent une classe particulière de systèmes approximant avec un certain degré de précision la dynamique des systèmes complexes non linéaires à partir d’une combinaison de modèles linéaires locaux pondérés par des fonctions convexes d'ordonnancement. Dans le contexte de l’apparition de défauts capteurs ou actionneurs, ce travail de thèse s’attache aux systèmes pour lesquels ces fonctions d'ordonnancement sont non mesurables mais dépendent de l'état du système. Afin de détecter et isoler des défauts, ce travail de thèse développe des synthèses d'observateurs appropriés en développant des nouvelles conditions suffisantes en termes d’inégalités matricielles linéaires (LMI) pour garantir la synthèse de résidus sensibles aux défauts et robustes aux erreurs d’estimation inhérentes aux fonctions d'ordonnancement non mesurables. - Étendant des méthodes H∞ afin d’effectuer l'estimation d'état, la détection de pannes, la localisation et la reconstruction de défaut sur les capteurs ; - Garantissant une sensibilité “optimale” aux pannes vis-À-Vis du rejet de perturbations au travers le développement d’observateurs de type H_/H∞. À cette fin, le mémoire de thèse est organisé en cinq chapitres : Le Chapitre 1 est consacré à l’introduction générale, aux objectifs et contributions de ce travail. Le Chapitre 2 présente les éléments nécessaires pour décrire la représentation, la modélisation, les propriétés, l'analyse et la conception d'observateur pour les systèmes D-LPV ainsi qu’un état de l’art détaillé des travaux associés à ce thème de recherche. Le Chapitre 3 est dédié au développement de trois méthodes différentes fondées sur la théorie H∞ pour concevoir des observateurs de détection de défaut pour les systèmes D-LPV. Les méthodes proposées sont appliquées à un exemple dans le cadre de la détection de défaut capteurs. L’isolation de ces défauts est mise en œuvre au travers un banc d’observateurs et les performances de chacune des trois méthodes sont comparées. Le Chapitre 4 propose une méthode de détection de défauts sur la base d’observateurs établis sur le principe H_/H∞, tenant compte ainsi d'un meilleur compromis entre la sensibilité aux pannes et la robustesse aux perturbations. De nouvelles conditions suffisantes à l’aide de LMI sont proposées afin de résoudre le problème de synthèse du gain des observateurs. Le dernier chapitre est dédié à la conclusion générale et à l’analyse de problèmes ouverts pouvant être abordés dans des travaux futurs / This work is dedicated to the synthesis of model-Based fault detection and isolation (FDI) techniques based on observers for nonlinear systems modeled as Descriptor-Linear Parameter Varying (D-LPV) systems. D-LPV systems are a particular class of systems that can represent (or approximate in some degree of accuracy), complex nonlinear systems by a set of linear local models blended through convex parameter-Dependent scheduling functions. The global D-LPV System can describe both time-Varying and nonlinear behavior. Nevertheless, in many applications the time-Varying parameters in the scheduling functions could be unmeasurable. Models which depend on unmeasurable scheduling functions cover a wide class of nonlinear systems compared to models with measurable scheduling functions, but the design of control schemes for D-LPV systems with unmeasurable scheduling functions are more difficult than those with a measurable one, because the design of such control schemes involve the estimation of the scheduling vector. This topic is addressed in this work by considering the following main targets: • to design FDI in D-LPV systems based on -H∞ observers in order to guarantee robustness against disturbances and errors due the unmeasurable gain scheduling functions • to extend the proposed -H∞ methods to perform state estimation and fault detection, isolation and fault magnitude estimation in the case of sensor faults • to guarantee the best trade-Off between fault sensitivity and disturbance rejection by developing H_/H∞ fault detection observers for D-LPV systems. The thesis is organized as follows Chapter 1 is dedicated to provide a general introduction, the objectives and contribution of this work.Chapter 2 is organized in order to provide the minimum necessary elements to describe the representation, modeling, properties, analysis, and observer design of D-LPV systems. Chapter 2 is also dedicated to a detailed review of the state of the art. Chapter 3 is dedicated to the development of three different methods to design fault detection observers for D-LPV systems based on H∞ theory. Finally, the proposed methods are applied to an example, for sensor fault detection and isolation by means of an observer bank, in order to compare the performance of each method. Chapter 4 is dedicated to the design of a FDI method based on observers with H_/H∞ performance. Based on the H_/H∞ approach, which considers the best trade-Off between fault sensitivity and robustness to disturbance, adequate LMIs are obtained to guarantee sufficient conditions for the design problem. In order to illustrate the effectiveness of the proposed techniques, an example is considered