Cette thèse est consacrée à la planification robuste du matériel roulant ferroviaire dans un contexte de transport de voyageurs régional. Il s'agit de déterminer pour chaque engin une suite de trajets à réaliser sur une période donnée de façon à résister au mieux aux aléas pouvant apparaître en opérationnel. Dans ce but, nous proposons une définition et une caractérisation de la robustesse par des indicateurs propres au contexte d'étude. Nous abordons le problème par une approche structurelle différente des approches robustes classiques qui permet d'agir sur la structure d'une solution en fonction des indicateurs définis. Trois méthodes sont alors mises en œuvre dans le cadre de ce travail. Une résolution approchée par une heuristique gloutonne et une recherche locale permet d'obtenir des solutions rapidement. Une méthode de résolution approchée par génération de colonnes a été développée afin de prendre en compte plus de contraintes de façon intégrée. Une méthode basée sur un programme linéaire en nombres entiers résolu exactement traite un problème plus général. Afin de limiter le coût de la robustesse, ces méthodes sont basées sur un existant à SNCF répondant au problème de planification des ressources matérielles à coûts de production minimaux. Un outil de simulation du comportement des solutions en situation perturbée permet de comparer les solutions entre elles par évaluation des indicateurs de robustesse. Des expérimentations sur des instances réelles ont prouvé la pertinence des approches et ont mené à l'industrialisation d'un prototype. / This thesis deals with robust rolling-stock planning problems for passenger regional trains. It consists in building robust rolling-stock schedules to operate trains under technical constraints while anticipating operational disturbances that can occur. First of all, we define indicators to characterize robustness in context. We use these indicators to have an effect on solutions that we build. This structural approach is unusual compared to classical robust optimization approaches. We have implemented three methods to solve the problem. A sequential heuristic method enhanced by a local search gives solutions quickly. A column-generation method calculates approximate solutions.An integer linear program is solved exactly to obtain solutions to a global problem. These methods are based on an existing tool at SNCF that optimizes the rolling-stock planning problem to assure optimal production costs. A simulation tool evaluates robustness indicators to compare solutions. Tests on real instances have proved the relevance of the approaches and have lead to the use of a prototype in production

Les dernières années ont permis des développements très rapides, tant au niveau de l’élaboration que de l’application, d’algorithmes de commande prédictive non linéaire (CPNL), avec une gamme relativement large de réalisations industrielles. Un des obstacles les plus significatifs rencontré lors du développement de cette commande est lié aux incertitudes sur le modèle du système. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse est la conception de lois de commande prédictives non linéaires robustes vis-à-vis des incertitudes sur le modèle. Classiquement, cette synthèse peut s’obtenir via la résolution d’un problème d’optimisation min-max. L’idée est alors de minimiser l’erreur de suivi de la trajectoire optimale pour la pire réalisation d'incertitudes possible. Cependant, cette formulation de la commande prédictive robuste induit une complexité qui peut être élevée ainsi qu’une charge de calcul importante, notamment dans le cas de systèmes multivariables, avec un nombre de paramètres incertains élevé. Pour y remédier, une approche proposée dans ces travaux consiste à simplifier le problème d’optimisation min-max, via l’analyse de sensibilité du modèle vis-à-vis de ses paramètres afin d’en réduire le temps de calcul. Dans un premier temps, le critère est linéarisé autour des valeurs nominales des paramètres du modèle. Les variables d’optimisation sont soit les commandes du système soit l’incrément de commande sur l’horizon temporel. Le problème d’optimisation initial est alors transformé soit en un problème convexe, soit en un problème de minimisation unidimensionnel, en fonction des contraintes imposées sur les états et les commandes. Une analyse de la stabilité du système en boucle fermée est également proposée. En dernier lieu, une structure de commande hiérarchisée combinant la commande prédictive robuste linéarisée et une commande par mode glissant intégral est développée afin d’éliminer toute erreur statique en suivi de trajectoire de référence. L'ensemble des stratégies proposées est appliqué à deux cas d'études de commande de bioréacteurs de culture de microorganismes. / The last few years have led to very rapid developments, both in the formulation and the application of Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) algorithms, with a relatively wide range of industrial achievements. One of the most significant challenges encountered during the development of this control law is due to uncertainties in the model of the system. In this context, the thesis addresses the design of NMPC control laws robust towards model uncertainties. Usually, the above design can be achieved through solving a min-max optimization problem. In this case, the idea is to minimize the tracking error for the worst possible uncertainty realization. However, this robust approach tends to become too complex to be solved numerically online, especially in the case of multivariable systems with a large number of uncertain parameters. To address this shortfall, the proposed approach consists in simplifying the min-max optimization problem through a sensitivity analysis of the model with respect to its parameters, in order to reduce the calculation time. First, the criterion is linearized around the model parameters nominal values. The optimization variables are either the system control inputs or the control increments over the prediction horizon. The initial optimization problem is then converted either into a convex optimization problem, or a one-dimensional minimization problem, depending on the nature of the constraints on the states and commands. The stability analysis of the closed-loop system is also addressed. Finally, a hierarchical control strategy is developed, that combines a robust model predictive control law with an integral sliding mode controller, in order to cancel any tracking error. The proposed approaches are applied through two case studies to the control of microorganisms culture in bioreactors.

L’introduction des systèmes électriques notamment des dispositifs d’électronique de puissance « embarqués » dans le domaine de transport aérien, requiert une forte compacité et une forte intégration des systèmes de conversions électriques ainsi des fonctionnalités électroniques a des hautes t ambiantes dépassant les 200°C.Mais pour répondre à ces besoins, le silicium a atteint ses limites d'où le recours à des nouveaux matériaux semi-conducteurs comme ceux à grand gap.Dans le cadre de ses recherches, Thales, en collaboration avec le laboratoire SATIE , mènent des investigations sur les performances des semi-conducteurs en technologie sic pour développer des convertisseurs aéronautiques de nouvelle génération.Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre d'une étude des potentialités des premiers composants SiC disponibles sur le marché. Cette étude permet de comparer les principales performances de ces dispositifs ainsi que les contraintes spécifiques induites lors de leur intégration dans les convertisseurs aéronautiques. / The potential of wide band gap transistors based on silicon carbide are remarkable and open new prospects for improvement (high efficiency, high breakdown voltage, high switching frequency and high operating temperature ...). This leads to volume and weight reduction for future converters. In order to improve new generation of power converters for future needs, Thales, in cooperation with SATIE and LTN IFSTTAR laboratories, performs investigations on the performances, advantages and disadvantages of SiC technology semiconductors. This comparative study will assess the strengths and weaknesses as well as the stresses induced during integration into aircraft converters of commercially available devices.

La miniaturisation des circuits intégrés se poursuit de nos jours avec le développement de technologies toujours plus fines et denses. Elle permet une intégration des circuits toujours plus massive, avec des performances plus élevées et une réduction des coûts de production. La réduction de taille des circuits s'accompagne aussi d'une augmentation de leur sensibilité électrique. L'électronique automobile est un acteur majeur dans la nouvelle tendance des véhicules autonomes. Ce type d'application a besoin d'analyser des données et d'appliquer des actions sur le véhicule en temps réel. L'objectif à terme est d'améliorer la sécurité des usagers. Il est donc vital de garantir que ces modules électroniques pourront effectuer leurs tâches correctement malgré toutes les perturbations auxquelles ils seront exposés. Néanmoins, l'environnement automobile est particulièrement sévère pour l'électronique. Parmi tous les stress rencontrés, les décharges électrostatiques (ESD - Electrostatic Discharge) sont une importante source d'agression électrique. Ce type d'évènement très bref est suffisamment violent pour détruire des composants électroniques ou les perturber pendant leur fonctionnement. Les recherches présentées ici se concentrent sur l'analyse des défaillances fonctionnelles. À cause des ESD, des fonctions électroniques peuvent cesser temporairement d'être opérantes. Des méthodes d'analyse et de prédiction sont requises au niveau-circuit intégré afin de détecter des points de faiblesses susceptibles de générer des fautes fonctionnelles pendant l'exposition à un stress électrostatique. Différentes approches ont été proposées dans ce but. Une méthode hiérarchique de modélisation a été mise au point afin d'être capable de reproduire la forme d'onde ESD jusqu'à l'entrée du circuit intégré. Avec cette approche, chaque élément du système est modélisé individuellement puis son modèle ajouté au schéma complet. Un cas d'étude réaliste de défaillance fonctionnelle d'un circuit intégré a été analysé à l'aide d'outils de simulation. Afin d'obtenir plus de données sur cette faute, une puce de test a été développée, contenant des structures de surveillance et de mesure directement intégrées dans la puce. La dernière partie de ce travail de recherche est concentrée sur le développement de méthodes d'analyse dans le but d'identifier efficacement des fautes par simulation. Une des techniques développées consiste à modéliser chaque bloc d'une fonction individuellement puis permet de chaîner ces modèles afin de déterminer la robustesse de la fonction complète. La deuxième méthode tente de construire un modèle équivalent dit boite-noire d'une fonction de haut-niveau d'un circuit intégré. Ces travaux de recherche ont mené à la mise au point de prototypes matériels et logiciels et à la mise en évidence de points bloquants qui pourront constituer une base pour de futurs travaux. / Miniaturization of electronic circuits continues nowadays with the more recent technology nodes being applied to diverse fields of application such as automotive. Very dense and small integrated circuits are interesting for economic reasons, because they are cheaper to manufacture in mass and can pack more functionalities with elevated performances. The counterpart of size reduction is integrated circuits becoming more fragile electrically. In the automotive world, the new trend of fully autonomous driving is seeing tremendous progress recently. Autonomous vehicles must take decisions and perform critical actions such as braking or steering the wheel. Those decisions are taken by electronic modules, that have now very high responsibilities with regards of our safety. It is important to ensure that those modules will operate no matter the kind of disturbances they can be exposed to. The automotive world is a quite harsh environment for electronic systems. A major source of electrical stress is called the Electrostatic Discharge (ESD). It is a very sudden flow of electricity of large amplitude capable of destroying electronic components, or disturb them during their normal operation. This research focuses on functional failures where functionality can be temporarily lost after an ESD with various impact on the vehicle. To guarantee before manufacturing that a module and its components will perform their duty correctly, new analysis and prediction methods are required against soft-failures caused by electrostatic discharges. In this research, different approaches have been explored and proposed towards that goal. First, a modelling method for reproducing the ESD waveforms from the test generator up to the integrated circuit input is presented. It is based on a hierarchical approach where each element of the system is modelled individually, then added to the complete setup model. A practical case of functional failure at silicon-level is analyzed using simulation tools. To acquire more data on this fault, a testchip has been designed. It contains on-chip monitoring structures to measure voltage and current, and monitor function behavior directly at silicon-level. The last part of this research details different analysis methods developed for identifying efficiently functional weaknesses. The methods rely heavily on simulation tools, and prototypes have been implemented to prove the initial concepts. The first method models each function inside the chip individually, using behavioral models, then enables to connect the models together to deduce the full function's robustness. It enables hierarchical analysis of complex integrated circuit designs, to identify potential weak spots inside the circuit that could require more shielding or protection. The second method is focused on constructing equivalent electrical black box models of integrated circuit functions. The goal is to model the IC with a behavioral, black-box model capable of reproducing waveforms in powered conditions during the ESD. In summary, this research work has led to the development of several hardware and software prototypes. It has also highlighted important modelling challenges to solve in future works to achieve better functional robustness against electrostatic discharges.

L'optimisation convexe sur des contraintes inégalités matricielles affines (plus connues sous le sigle LMI) apparaît dans de nombreux problèmes d'Automatique. Dans cette thèse, on propose une méthodologie générale de mise de problèmes d'Automatique sous forme de problèmes d'optimisation. Inscrite dans l'approche entrée/sortie, elle repose sur la modélisation de systèmes comme des interconnexions de sous systèmes, sur la caractérisation des signaux entrée/sortie de ces derniers par des inégalités quadratiques et sur l'obtention de critères de stabilité et de performance par application d'arguments du type séparation des graphes et S procédure. Cette méthodologie est mise en oeuvre pour démontrer des théorèmes qui unifient et étendent des résultats d'analyse et de commande des systèmes. Parmi les nouveaux résultats, on peut citer la commande par séquencement de gains (qui a motivé cette thèse), la commande décentralisée, la commande avec saturation et la commande ``quadratique'' de systèmes non linéaires rationnels, etc... L'analyse de la robustesse est étendue à des classes d'incertitudes plus importantes. Une description plus fine est proposée et de nouveaux objectifs de performance sont aisément traités en caractérisant le comportement entrée/sortie du système incertain par des inégalités quadratiques. Cela permet d'aborder des problèmes comme l'analyse hiérarchisée de systèmes incertains de grande dimension. L'extension aux systèmes non linéaires, non stationnaires est ensuite considérée avec des critères pour des paramètres incertains non stationnaires (vitesse bornée, bornée en moyenne). Enfin, certains outils sont appliqués à un problème de pilotage de missile. On montre que la robustesse et la performance sont obtenues lorsque le missile, décrit par un modèle non linéaire, est bouclé par un correcteur proportionnel intégral. Un correcteur obtenu par la méthode de séquencement de gains permet d'améliorer les performances de la commande.

Cette thèse porte sur la commande adaptative directe robuste et son application au contrôle d’attitude des satellites de la filière Myriade du CNES. Après avoir présenté les différents types de commande variant dans le temps, nous rappelons les caractéristiques d’un contrôleur adaptatif direct, en particulier le fait que la seule connaissance d’un retour de sortie stabilisant le système à contrôler suffit pour concevoir un contrôleur adaptatif direct. Parallèlement, nous présentons la théorie des systèmes descripteurs. Modéliser un système sous forme descripteur est non conventionnel mais présente de nombreux avantages dans le contexte de la commande adaptative directe robuste. A l’aide des résultats existants sur la commande adaptative directe d’une part, et de la théorie des systèmes descripteurs d’autre part, nous fournissons une méthode permettant de calculer, connaissant un retour de sortie constant, les paramètres d’un contrôleur adaptatif direct robuste stabilisant. Cette méthode repose sur la résolution d’inégalités matricielles linéaires. Le contrôleur adpatatif est plus robuste que le contrôleur constant, mais on ne peut prouver que la stabilité globale que vers un voisinage du point d’équilibre. Nous présentons ensuite une méthode, également basée sur la résolution d’inégalités matricielles linéaires, permettant de concevoir un contrôleur adaptatif direct robuste de meilleur niveau de rejet des perturbations extérieures que le contrôleur constant à partir duquel il est construit. L’ensemble de ces résultats théoriques est ensuite appliqué au contrôle d’attitude des satellites de la filière Myriade du CNES. En particulier, nous concevons un contrôleur d’attitude stabilisant le satellite quelle que soit la valeur de son inertie. Ce contrôleur d’attitude est également capable d’éviter aux roues à réaction du satellite de saturer. Nous concevons ensuite un contrôleur d’attitude adaptatif, robuste, et qui rejette mieux les perturbations extérieures que le contrôleur constant à partir duquel il est construit. Ce contrôleur constant est d’ailleurs actuellement implémenté à bord des satellites de la filière Myriade du CNES. Enfin, nous validons l’ensemble des résultats de cette thèse à l’aide d’un simulateur SCAO du CNES, où nous simulons le déploiement des mâts d’un satellite, ainsi que des scénarii de sauts de guidage. / This manuscript deals with robust direct adaptive control, and its application to CNES microsatellites attitude control. After listing the different types of time-varying controllers, we recall the characteristics of direct adaptive control. In particular, we recall that the knowledge of a stabilizing static output feedback is sufficient to design a direct adaptive controller. In parallel, we introduce the descriptor system theory. Modelizing a system into descriptor form is not usual but fits well with robust direct adaptive control. Starting from existing results about adaptive control and descriptor system theory, we provide an LMI based method which allows to compute, with the knowledge of a stabilizing static output feedback, the parameters of a stabilizing direct adaptive controller. A first result proves that the adaptive controller is at least as robust as the static output feedback. The second result allows to prove improved robustness at the expense of relaxing stability of the equilibrium point to practical stability, that is convergence to a neighborhood of the equilibrium. Then, we provide a method, LMI based as well, which allows to design a robust direct adaptive controller which has a better level of rejection of the perturbations than the static output feedback from which it is designed. All these theoretical results are applied to the attitude control of CNES microsatellites. We design a controller which stabilizes the attitude of the satellite whatever the value of its inertia. This attitude controller can also avoid the satellite reaction wheels to saturate. We design another robust adaptive attitude controller which has a better level of rejection of the perturbations than the static controller which is currently implemented aboard CNES satellites. Finally, we validate all the results of this manuscript by simulating on a AOCS CNES simulator the deployment of the satellite masts and some guiding jumps.

Dans les systèmes de positionnement de véhicules, à tout moment, n'importe lequel des détecteurs peut, temporairement ou de manière permanente, tomber en panne ou cesser d'envoyer des informations. Il s'ensuit alors des répercussions sur la sécurité, la santé, ainsi que des informations financières ou même légales. Bien que les nouvelles pratiques de conception aient tendance à réduire au minimum les défaillances des détecteurs, il est reconnu que de tels évènements peuvent quand même souvenir. Dans un tel cas, le détecteur défectueux doit être identifié et isolé afin d'éviter de corrompre les évaluations globales et, finalement, le système doit être capable de se reconfigurer afin de surmonter le carence causée par la défaillance. En bref, un système de navigation doit être robuste et adaptatif. Cette thèse propose plusieurs architectures de fusion de données capables de s'adapter suite à des défaillances de détecteurs. Les diverses approches utilisent un filtre Kalman en combinaison avec la détection de défauts pour produire des modules de positionnement robuste. Les modules devront être capables de fonctionner dans des situations telles que l'entrée GPS est corrompue ou non disponible, ou bien qu'un plusieurs détecteurs de position sont défectueux ou bloqués. Le principe de travail vise la modification des gains du filtre Kalman en se basant sur les erreurs normalisées entre les états estimés et les observations. Pour évaluer l'architecture proposée, divers défauts de détecteurs et diverses dégradations de performance ont été mis en oeuvre et simulés. Les expériences démontrent que les solutions proposées peuvent compenser la plupart des erreurs associées aux défauts des détecteurs ou aux dégradations de performance, et que l'exactitude de positionnement qui en découle est améliorée significativement.

Ce travail de thèse concerne la synthèse de commandes référencées capteur pour les robots non holonomes, dans le cadre de l'approche par fonctions transverses, ainsi que l'étude de la robustesse de ces lois de commande.<br />La commande de robots non holonomes a été très étudiée ces quinze dernières années. Cependant, lorsque l'on souhaite stabiliser la pose complète du robot, la synthèse de lois de commande robustes vis-à-vis d'erreurs d'estimation de l'état du robot (qui dans la pratique découlent typiquement d'erreurs sur les modèles des capteurs) reste un problème ouvert. La problématique principale de cette thèse se situe à ce niveau. <br />Les résultats développés dans cette thèse portent essentiellement sur deux aspects. Le premier concerne la façon d'utiliser les signaux capteurs pour la synthèse de lois de commande. Plusieurs méthodes de synthèse de commande sont proposées dans ce travail, en particulier, par analogie avec la commande des robots manipulateurs, nous proposons une synthèse directe dans l'espace des signaux capteurs. La deuxième partie de ce travail, plus fondamentale, porte sur l'analyse et l'évaluation des propriétés de robustesse des schémas de commande vis-à-vis d'incertitudes sur les modèles de capteurs. Des résultats théoriques de stabilité sont établis, puis validés et complétés par des simulations ainsi que par des résultats expérimentaux.

Les structures mécaniques complexes résultent de l’assemblage de plusieurs composants, possédant souvent des propriétés mécaniques différentes, reliés à leurs interfaces par différents types de jonctions. L’hétérogénéité des comportements dynamiques de ces sous-structures et leurs sollicitations extérieures vont générer des efforts sur la structure principale et des accélérations importantes au niveau des équipements embarqués, affectant leur fonctionnement, leur fiabilité, leur sécurité. Il est alors nécessaire de les protéger en les isolant du reste de la structure.Ces travaux concernent la maîtrise des niveaux vibratoires et visent à fournir une méthode de caractérisation dynamique des interfaces entre différentes sous-structures. Celle-ci est ensuite intégrée dans une démarche visant à minimiser la puissance transmise entre des sous-structures sources et réceptrices.Une méthode de modes de flux de puissance a été développée, dont les valeurs et efforts propres fournissent, respectivement, des informations quantitatives et qualitatives sur les flux de puissance à l’intérieur d’une structure. Son application à l’étude de la puissance transmise entre deux sous-structures permet d’identifier les directions et les participations des principaux chemins de puissance transitant par les jonctions.Ces résultats ont été appliqués afin de proposer une méthodologie de conception robuste des interfaces de structures. Deux démarches d’optimisation ont été comparées visant à minimiser la puissance transmise par rapport aux paramètres de raideurs des jonctions. L’importance de considérer la robustesse de ces solutions a été soulignée par une approche complémentaire non-probabiliste. / Complex mechanical structures are composed of an assembly of several components, often exhibiting different mechanical properties and joined at their interfaces by different junction types. The various dynamic behaviours of these substructures and the applied external loadings generate important efforts on the main structure, resulting in high acceleration responses of the on-board equipments, affecting their performance, reliability and security. It is therefore necessary to protect them from these harsh conditions by isolating them from the rest of the structure.These researches are related to structural vibration control and aim at proposing a new method to dynamically characterize interfaces between different substructures. This method is then integrated to a robust design approach to minimize the power transmitted between a source and a receiver substructure. A power flow mode method has been developed, which allows determining eigenvalues and eigenvectors respectively representing qualitative and quantitative information on the power flowing inside the structure. This has been further applied to study the power transmitted at the interface, making it possible to identify the direction associated to the dominant power flow pattern and to quantify their contribution.These results have been applied to propose a robust design approach of structural interfaces. Optimization procedures have been implemented and compared to minimize the power transmitted between with respect to the interface stiffness parameters. The importance of considering the robustness of these solutions has been underlined by performing a complementary analysis based on a non-probabilistic approach.

Le point de départ pour les systèmes décentralisés a été l’échange des fichiers, en utilisant cet approche i) pour distribuer la bande passante entre tous les nœuds concernés et ii) pour augmenter la robustesse en éliminant autant que possible les points individuels de défaillance et de contrôle et iii) en partageant également les responsabilités entre les nœuds. Si les approches le plus décentralisés sont très efficaces en termes de résilience aux pannes, pour la même raison, les performances sont limités et difficiles à analyser quand on observe plusieurs réseaux interconnectés entre eux, configurations qui peuvent être analysés à travers des outils de simulation, souvent peu efficaces dans l’analyse de l’espace de possibilités. Dans cette thèse on a développé un modèle mathématique pour la modélisation de l’interconnexion des réseaux en permettant l’étude et l’exploration d’équilibres qui grâce à l’abstraction du modèle peuvent s’appliquer à l’interconnexion des réseaux de communications, réseaux de distribution de marchandise ou réseaux de distribution d’eau. La thèse se focalise aussi sur les réseaux décentralisés MANET, ou` la communication entre nœuds mobiles est purement ≪ ad-hoc ≫ (ex: deux voitures communiquant entre eux quand ils sont proches) en utilisant i) des ≪ rateless coding ≫ pour augmenter la robustesse et minimiser la perte ou la corruption de données causées par la non fiabilité du moyen de transmission et ii) des algorithmes de ≪ pollution détection ≫, par exemple de détection de nœuds malveillants ou de paquets corrompus, cette détection et prévention étant très difficile dans des environnements fortement distribués. / The original “selling point” for decentralized networks has been file exchange, using the decentralized approach to diffuse the bandwidth cost between all the participating nodes, augmenting the robustness by avoiding single point of failures and control by sharing the responsibility between all nodes. While the most decentralized approaches are very efficient in terms of resilience they are, by the same reason, more performance limited and harder to analyze. This analysis is usually the sole realm of simulation tools, a quite in- efficient way to analyze the possibility space. We thus developed and present here a mathematical model for network interconnection, enabling the study and exploration of equilibriums and, by virtue of the abstraction of the model, perfectly applicable to any interconnection of networks, be them communication networks, social networks or, for example, water distribution networks. We also focused on decentralized networks, called MANETs, where communication between mobile nodes is purely ad-hoc based (eg.: two cars passing each other and communicating while in range), exploit- ing rateless coding to increase their robustness by minimizing data loss due to transmission unreliability, and detecting malicious nodes sending corrupted packets, a hard to detect and prevent problem in a strongly distributed environments, using SIEVE, a custom developed algorithm.