Le travail présenté dans ce mémoire de thèse concerne la synthèse de méthodes d'accommodation fondée sur l'information du second ordre (ISO) dans le contexte de la tolérance aux défauts présents au sein des systèmes linéaires. La contribution majeure de ces travaux de recherche concerne l'exploitation de cette information dans l'analyse de la reconfigurabilité (aptitude du système à s'affranchir des défauts) et dans le développement des stratégies d'accommodation de défauts permettant de retrouver les performances nominales en fonction du comportement dynamique et garantissant une information du second ordre %(coût énergétique) imposée. Dans un premier temps, on propose des approches pour mesurer l'information du second ordre à partir des grandeurs entrée/sortie des systèmes linéaires. Dans une première approche, la réponse (données de sortie) à la condition initiale est considérée. Une alternative intéressante à cette approche, en considérant le problème comme un d'identification et basée sur la réponse impulsionnelle (paramètres de Markov), est proposée afin d'évaluer l'information du second ordre indirectement mais en-ligne en utilisant des grandeurs entrée/sortie. Un indice résultant de cette évaluation est proposé afin de contribuer à l'étude de la reconfigurabilité en ligne d'un système défaillant. Cette estimation en temps réel de l'information du second ordre est étendue aux systèmes commandés en réseau afin d'évaluer l'impact de retards sur la reconfigurabilité du système. Dans un deuxième temps, des stratégies permettant l'accommodation de défauts du type perte d'efficacité des actionneurs sont proposées, approches considérées dans le contexte de la synthèse de l'information du second ordre par retour d'état. On aborde le cas des systèmes à une entrée, approche proposée et basée sur la méthode de la pseudo inverse modifiée. Ensuite on considère le cas multivariable, approche basée sur la méthode de la pseudo inverse. Des exemples se présentent pour illustrer l'application des approches proposées. Les éléments développés au cours du mémoire sont illustrés à travers une application couramment étudiée dans la commande de procédés : le système hydraulique des trois cuves. Les simulations effectuées mettent en relief les résultats obtenus et l'apport des méthodes développées. / This thesis is devoted to the synthesis of accommodation methods founded on the second order information (SOI) assignment in the context of fault tolerance for deterministic linear systems. The major contribution of this research concerns using this information in the reconfigurability analysis (capability of the system to respond to faults) and developing strategies for fault accommodation in order to recover nominal performances in terms of system dynamics and also to guarantee the assigned second order information. Firstly, approaches for measuring the SOI using the system's input/output data are proposed. A first approach based on the initial response is considered. An interesting alternative to this approach, in considering the problem as one of identification, is proposed as an indirect computation of the SOI but online and using input/output data. An index based on reconfigurability, which is directly related to the SOI, is also proposed. Based on this online SOI computation, the index is applied to networked control systems affected by network induced delays in order to calculate their impact over the system. Secondly, fault accommodation strategies for loss of effectiveness type faults are proposed under the feedback SOI synthesis. SISO systems are first considered, approach founded on the modified pseudo inverse method. On the other hand, a strategy for MIMO systems founded on the pseudo inverse method is taken into account. Examples illustrating the application of the approaches are also presented. All these developed approaches are applied and illustrated through the well known process benchmark: the three tank hydraulic system. The simulations show up and notice the results obtained, and bring out the contribution of the developed approaches.

Le travail de thèse, qui s'inscrit dans le cadre du projet européen PAPYRUS (Plug and Play monitoring and control architecture for optimization of large scale production processes) du 7ème PCRD, a concerné tout d'abord la synthèse et la mise en œuvre d'une approche de modélisation, de diagnostic et de reconfiguration originale. Celle-ci se fonde sur la génération de graphes causaux permettant de modéliser en temps réel le comportement d'un système complexe dans un premier temps. La cible de cette première étude a été la papeterie Stora Enso d'Imatra en Finlande, qui était le procédé d'application du projet PAPYRUS. En suite logique à cette première partie, une approche permettant l'accommodation du système à certains défauts particuliers a été définie par l'ajustement des signaux de consigne de diverses boucles de régulation. Le manuscrit est structuré en trois parties. Dans la première, le projet européen PAPYRUS est présenté. Le rôle de chaque partenaire y est décrit au travers des différents « workpackages » et le travail de thèse y est positionné. La seconde partie de la thèse a pour objectif la génération d'un modèle utile au diagnostic en se fondant uniquement sur les différents signaux mesurés du système. Plus précisément, un modèle causal graphique est présenté par la mise en évidence des liens de causalité entre les différentes variables mesurées. Des analyses à base d'inter-corrélation, de transfert d'entropie et du test de causalité de Granger sont effectuées. Une approche de diagnostic fondée sur le modèle graphique ainsi obtenu est ensuite proposée en utilisant un test d'hypothèse séquentiel. La dernière partie est dédiée au problème d'accommodation aux défauts. Le graphe utilisé pour établir le diagnostic du système est remanié afin de faire apparaitre les différentes boucles de régulation du système. Une stratégie permettant la sélection de consignes influentes est alors proposée avec l'objectif d'ajuster ces dernières afin de compenser l'effet du défaut survenu / The thesis deals with modelling, diagnosis and fault tolerance of large scale processes. It is a part of the European project PAPYRUS (7th FWP). First, the European PAPYRUS project is described with details on the role of each partner through work package descriptions. The positioning of the thesis in this respect is also given. The second part of the thesis is about modelling graphical models for diagnosis purpose; more precisely, graphical causal model is used to highlight the causal links between the different variables of the process. To obtain such a model from data, several methods are proposed based on cross-correlation, entropy transfer and Granger causality. A diagnosis-based approach on the resulting graphical model is then proposed using statistical test and causal model of the process. This approach is illustrated using data from an industrial process and results are validated. The final section addresses fault tolerance based on digraph inferences and reference governor. This approach is illustrated using a MATLAB simulation which has a functional architecture similar to Board Machine 4 of Stora Enso IMATRA in Finland

Cette thèse présente des méthodes et outils de conception de systèmes integres sur tranche entière (wafer scale intégration). L'application traitée (dans le cadre d'un projet européen esprit) est une architecture constituée d'un réseau 2d de 6720 processeurs (pe) monobits, destinée au traitement d'image de bas niveau. Pour tolérer les défauts de fin fabrication, une approche hiérarchisée a été implantée. Au niveau sous-système, une technique de redondance figee a consiste a implanter une colonne de pes de réserve, destines a remplacer les pes défaillants. Au niveau tranche entière, une technique de construction d'une cible maximale n'utilisant que des sous-systèmes s'appuient sur l'implantation d'un réseau de commutateurs permettant d'éviter les sous-systèmes défaillants. Une architecture originale des réseaux de commutateurs contrôle a partir des plots externes et des algorithmes efficaces de définition et construction du réseau opérationnel constituent les points forts de cette thèse

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse porte sur la tolérance aux défauts dans le cas des systèmes linéaires. Les moyens de communication numériques sont utilisés dans le cadre de la mise en oeuvre d'une architecture de commande tolérante aux défauts pour des systèmes complexes. Une coopération entre les modules de commande/diagnostic assure la tolérance à certains types de défauts qui affectent le système. La commande des systèmes est traditionnellement réalisée à partir d'un calculateur central qui collecte l'ensemble des informations relevées sur le procédé, puis les traite pour élaborer un ensemble de commande qui est appliqué au procédé. Avec le développement des systèmes commandés en réseaux (Networked Control System) et des systèmes embarqués, l'architecture des systèmes s'oriente vers une distribution des algorithmes de commande et de diagnostic. On se propose d'aborder le problème de la conception des stratégies de distribution de diagnostic/commande et de coopération des tâches de commande entre les sous-contrôleurs associés à chaque sous-système qui composent le système complexe et de prendre en compte les défauts des actionneurs et de capteurs affectant les sous-systèmes. Il s'agit alors d'élaborer une stratégie de commande coopérative visant à compenser les effets des défauts affectant le système. Les commandes locales sont des commandes prédictives à base de modèle (MPC : Model Predictive Control). Une analyse de stabilité a été faite en prenant en considération la défaillance du réseau de communication.

L'objet de cette étude est la conception d'une mémoire statique intégrée sur tranche (4.5 mbits). Cette mémoire réalisée à partir de cellules de 64kbits est tolérante aux défauts de fin de fabrication. Des éléments en réserve remplacent les éléments défectueux à l'aide des connexions du type grille flottante fets ou fusible et antifusible. Le travail de recherche a consisté:<br />-à étudier la faisabilité de cette mémoire<br />-à définir l'architecture d'une telle mémoire en tenant compte du rendement<br />-à définir une stratégie de test pour l'ensemble du circuit<br />-à étudier les dispositifs de connexion/déconnexion qui permettront de réaliser physiquement la mémoire finale -à développer des algorithmes de configuration qui détermineront les groupes de cellules en paquets de 256kbits. <br />Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Esprit-824. Un premier essai de fabrication a permis de caractériser les dispositifs de connexion. La mémoire de 4.5 mbits a été envoyée en fabrication fin 1987

Les nouvelles techniques de fabrication nanométriques comme l'auto-assemblage ou la nanoimpression permettent de réaliser des matrices régulières (crossbars) atteignant des densités extrêmes (jusqu'à 1012 nanocomposants/cm2) tout en limitant leur coût de fabrication. Cependant, il est attendu que ces technologies s'accompagnent d'une augmentation significative du nombre de défauts et de dispersions de caractéristiques. La capacité à exploiter ces crossbars est alors conditionnée par le développement de nouvelles techniques de calcul capables de les spécialiser et de tolérer une grande densité de défauts. Dans ce contexte, l'approche neuromimétique qui permet tout à la fois de configurer les nanodispositifs et de tolérer leurs défauts et dispersions de caractéristiques apparaît spécialement pertinente. L'objectif de cette thèse est de démontrer l'efficacité d'une telle approche et de quantifier la fiabilité obtenue avec une architecture neuromimétique à base de crossbar de memristors, ou neurocrossbar (NC). Tout d'abord la thèse introduit des algorithmes permettant l'apprentissage de fonctions logiques sur un NC. Par la suite, la thèse caractérise la tolérance du modèle NC aux défauts et aux variations de caractéristiques des memristors. Des modèles analytiques probabilistes de prédiction de la convergence de NC ont été proposés et confrontés à des simulations Monte-Carlo. Ils prennent en compte l'impact de chaque type de défaut et de dispersion. Grâce à ces modèles analytiques il devient possible d'extrapoler cette étude à des circuits NC de très grande taille. Finalement, l'efficacité des méthodes proposées est expérimentalement démontrée à travers l'apprentissage de fonctions logiques par un NC composé de transistors à nanotube de carbone à commande optique (OG-CNTFET).

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse porte sur la tolérance aux défauts dans le cas des systèmes linéaires. Les moyens de communication numériques sont utilisés dans le cadre de la mise en oeuvre d'une architecture de commande tolérante aux défauts pour des systèmes complexes. Une coopération entre les modules de commande/diagnostic assure la tolérance à certains types de défauts qui affectent le système. La commande des systèmes est traditionnellement réalisée à partir d'un calculateur central qui collecte l'ensemble des informations relevées sur le procédé, puis les traite pour élaborer un ensemble de commande qui est appliqué au procédé. Avec le développement des systèmes commandés en réseaux (Networked Control System) et des systèmes embarqués, l'architecture des systèmes s'oriente vers une distribution des algorithmes de commande et de diagnostic. On se propose d'aborder le problème de la conception des stratégies de distribution de diagnostic/commande et de coopération des tâches de commande entre les sous-contrôleurs associés à chaque sous-système qui composent le système complexe et de prendre en compte les défauts des actionneurs et de capteurs affectant les sous-systèmes. Il s'agit alors d'élaborer une stratégie de commande coopérative visant à compenser les effets des défauts affectant le système. Les commandes locales sont des commandes prédictives à base de modèle (MPC: Model Predictive Control). Une analyse de stabilité a été faite en prenant en considération la défaillance du réseau de communication. / The work presented in this memory of thesis focuses on fault tolerance in the case of linear systems. Digital communication tools are used in the context of the implementation of an architecture for fault tolerant control of complex systems. A cooperation between the control/diagnosis blocks ensures the tolerance to certain types of faults which affect the system. Control systems is traditionally carried out starting from a central computer that collects all information gathered on the process. Then, these information are treated in order to develop a set of command which is applied to the process. Thanks to the development of the Networked System Control and embedded systems, systems architecture is oriented towards a distributed control and diagnostic algorithms. One proposes to address the problem of designing distribution strategies for diagnosis/control and control tasks cooperation between sub-controllers associated at each subsystem comprising the complex system and to take into account the faults on the actuators and sensors that affect the subsystems. Then a cooperative control strategy is proposed. It aims at compensating the effects of the faults affecting the system. Local controls are based on Model Predictive Control (MPC). An analysis of stability was made taking into account the failure of the communication network

Les nouvelles techniques de fabrication nanométriques comme l’auto-assemblage ou la nanoimpression permettent de réaliser des matrices régulières (crossbars) atteignant des densités extrêmes (jusqu’à 1012 nanocomposants/cm2) tout en limitant leur coût de fabrication. Cependant, il est attendu que ces technologies s’accompagnent d’une augmentation significative du nombre de défauts et de dispersions de caractéristiques. La capacité à exploiter ces crossbars est alors conditionnée par le développement de nouvelles techniques de calcul capables de les spécialiser et de tolérer une grande densité de défauts. Dans ce contexte, l’approche neuromimétique qui permet tout à la fois de configurer les nanodispositifs et de tolérer leurs défauts et dispersions de caractéristiques apparaît spécialement pertinente. L’objectif de cette thèse est de démontrer l’efficacité d’une telle approche et de quantifier la fiabilité obtenue avec une architecture neuromimétique à base de crossbar de memristors, ou neurocrossbar (NC). Tout d’abord la thèse introduit des algorithmes permettant l’apprentissage de fonctions logiques sur un NC. Par la suite, la thèse caractérise la tolérance du modèle NC aux défauts et aux variations de caractéristiques des memristors. Des modèles analytiques probabilistes de prédiction de la convergence de NC ont été proposés et confrontés à des simulations Monte-Carlo. Ils prennent en compte l’impact de chaque type de défaut et de dispersion. Grâce à ces modèles analytiques il devient possible d’extrapoler cette étude à des circuits NC de très grande taille. Finalement, l’efficacité des méthodes proposées est expérimentalement démontrée à travers l’apprentissage de fonctions logiques par un NC composé de transistors à nanotube de carbone à commande optique (OG-CNTFET). / Novel manufacturing techniques, such as nanoscale self-assembly or nanoimprint, allow a cost-efficient way to fabricate high-density crossbar matrices (1012 nanodevices/cm2). However, it is expected that these technologies will be accompanied by a significant increase of defects and dispersion in device characteristics. Thus, programming these crossbars require new computational techniques that possess high tolerance for such variations. In this context, approaches based on neural networks are promising for configuring nanodevices, since they provide a natural way for tolerating low yields and device variations. The main objective of this thesis is to explore such a neural-network approach, by examining factors such as efficiency and reliability, using the memristor crossbar architecture or neurocrossbar (NC). We introduce algorithms for learning the logic functions on the NC, and the tolerance of NC against static defects (stuck-defect) and dispersion of device properties is discussed. Probabilistic analytical models for predicting the convergence of NC are proposed and compared with Monte Carlo simulations, which take into account the impact of each type of defect and dispersion. These analytical models can be extrapolated to study large-sized NCs. Finally, the effectiveness of the proposed methods is experimentally demonstrated through the learning of logic functions by a real NC made of Optically Gated Carbon Nanotube Field Effect Transistor (OG-CNTFET).

Ces dernières années, la fiabilité et la continuité de service des chaînes de traction sont devenus des défis majeurs afin que les véhicules électriques puissent accéder au marché grand public de l’automobile. En effet, la présence de défauts dans les chaînes de traction peut conduire à des dysfonctionnements dans les véhicules et ainsi réduire ses performances par rapport aux véhicules conventionnels. Dans l’hypothèse où des défauts électriques se produisaient, les chaînes de traction des véhicules électriques à pile à combustible devraient inclure des topologies et/ou contrôles tolérants aux défauts pour les différents convertisseurs DC/DC et DC/AC. Dans le cadre de ce travail de recherche, un focus est fait sur le convertisseur DC/DC associé à la pile à combustible de la chaine de traction. Ce dernier doit répondre aux problématiques majeures des applications véhicule électrique à pile à combustible à savoir : faible masse et petit volume, haute efficacité énergétique, réduction de l’ondulation de courant d’entrée et fiabilité. A la base d’une recherche bibliographique poussée sur les structures non-isolées et isolées appropriées pour des applications PàC, une topologie de convertisseur DC/DC entrelacé a été choisie permettant de respecter les contraintes des véhicules électriques à pile à combustible.Ce travail de thèse a ensuite consisté à dimensionner et contrôler la structure de convertisseur DC/DC tolérante aux défauts choisie pour les véhicules à PàC. Des algorithmes de gestion des modes dégradés de ce convertisseur ont été développés et implémentés expérimentalement. A ce titre, l’interaction PàC-convertisseur DC/DC a été étudiée. Une approche théorique, de simulation et expérimentale a été mise en oeuvre pour mener à bien ce travail. / Over the last years, reliability and continuity of service of powertrains have become major challenge so that the fuel cell electric vehicles (CFEV) can access to the mass automotive market. Indeed, the presence of faults in powertrains can lead up to malfunctions in the vehicle and consequently reduce its performances compared with conventional vehicles. In the case of electrical faults, powertrains of FCEV have to include fault tolerant topology and/or control for the different DC/DC and DC/AC converters. Within the framework of this research work, the study is focused on DC/DC converter combined with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). The DC/DC converter must respond to challenging issues in FCEV applications such as: low weight and small volume, high energy efficiency, fuel cell current ripple reduction and reliability. Basing on a thorough bibliographical study on non-isolated and isolated DC/DC converter topologies, an interleaved DC/DC boost converter has been chosen, meeting the FCEV requirements.The purpose of this thesis has then consisted in sizing and controlling the chosen fault-tolerant DC/DC converter topology for FCEVs. Algorithms for degraded mode management of this converter have been developed and implemented experimentally. As such, the interaction between PEMFC and interleaved DC/DC boost converter has been investigated. A theoretical approach, simulation and experimental results have been carried out to complete this work.

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