Contribution la modlisation et l'identification temps rel pour les systmes nergie lectrique embarque

Synthse scientifique prsente pour lobtention de lHabilitation Diriger des Recherches de lUniversit de Technologie de Compigne.

prsente par

Christophe FORGEZ

Soutenue le 31 mars 2009 devant le jury :

M. Astier S. Professeur, Institut National Polytechnique de Toulouse (rapporteur) M. Badin F. Directeur de Recherche, IFP, Solaize M. Faucher J. Professeur, Institut National Polytechnique de Toulouse (rapporteur) M. Friedrich G. Professeur, Universit de Technologie de Compigne M. Glaize C. Professeur, Universit Montpellier II (rapporteur) M. Loron L. Professeur, PolytechNantes, Saint Nazaire Mme. Semail B. Professeur, USTL- PolytechLille, Villeneuve dAscq

Table des matires

I Activits d'enseignements 6

II Activits de recherche 12

1 Le contexte scientique et technologique 13

1.1 L'environnement de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2 L'approche systme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3 Les outils utiliss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 Le contexte conomique 16

2.1 Electrication des lments de confort et de scurit dans l'automobile . . . . . . . . . 16

2.2 Vers une rupture technologique invitable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.1 Les causes : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.2 Des solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3 Orientation de ma recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 Activits contractuelles 22

3.1 Surveillance thermique d'un alterno-dmarreur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.1 Prsentation du projet alterno-dmarreur et collaboration VALEO . . . . . . . 22

3.1.2 Surveillance thermique de l'alterno-dmarreur (2000-2002) . . . . . . . . . . . . 23

3.2 Projets du ple DIVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2.1 Prsentation du ple DIVA et collaboration avec le LRCS . . . . . . . . . . . . 24

3.2.2 Projet DIVA 2000-2004 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2.3 Projet DIVA 2006-2010 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3 Predit SIMSTOCK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3.1 Prsentation du prdit SIMSTOCK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3.2 Prennisation du rseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3.3 Attentes conomiques lies au projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4 Activits d'encadrement 27

4.1 Thse de Pascal LY : Juin 2003 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2 Thse de Emmanuel KUHN : septembre 2004 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.3 DEA de Hicham ABBAS : juin 2005 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.4 Thse de Dinh Vinh DO : 2006 - 2009 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2

TABLE DES MATIRES 3

III Les travaux 33

5 Modlisation par rseaux de neurones 34

5.1 Les rseaux neuronaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.1.1 Un peu d'histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.1.2 Le neurone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.1.3 Les rseaux de neurones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.2 Mthode d'apprentissage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.2.1 Initialisation des poids et biais d'entre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.2.2 Dtermination des poids de sortie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.3 Application la commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.3.1 Representation d'un systme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.3.2 Conception d'une commande partir des graphes causaux . . . . . . . . . . . . 40

5.3.3 Mthodologie pour contrler un systme non linaire . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.4 Application au contrle de machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.4.1 Contrle neuronal partiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.4.2 Contrle neuronal total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.4.3 Contrle neuronal adaptatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.5 Conclusion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6 Identication temps rel de machine asynchrone 52

6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.2 Le ltrage de Kalman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6.2.1 Filtre de Kalman discret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6.2.2 Filtre de Kalman discret tendu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.3 L'hritage des travaux de Luc Loron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6.3.1 Modle d'ordre 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6.4 Surveillance thermique de la machine asynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.4.1 Observation de la temprature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.4.2 Dicults rencontres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.4.3 Renforcement par modle de connaissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.4.4 Initialisation et rglage du ltre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.4.5 Initialisation et rglage du ltre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6.4.6 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

7 Modlisation de batterie 69

7.1 Problmatique et objectifs de l'tude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

7.2 Description des phnomnes lectrochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

7.2.1 Ractions primaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

7.2.2 Phenomnes statiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

7.2.3 Les phnomnes statiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

7.2.4 Phnomnes dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

7.3 Premire structure de schma quivalent constantes localises . . . . . . . . . . . . . 75

7.3.1 Justication de la structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

7.3.2 Problmes d'identication lis la complexit de la structure . . . . . . . . . . 79

7.4 Deuxime structure en drives non entires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

7.4.1 Circuit lectrique considr pour une cellule NiMH 1.2V 13.5Ah . . . . . . . . . 80

TABLE DES MATIRES 4

7.4.2 Identication des lments du circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7.4.3 Calcul en temps rel du modle en drives non entires . . . . . . . . . . . . . 88

7.5 Troisime structure : Le modle nergtique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

7.5.1 Identication des lments du circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

7.5.2 Calcul en temps rel du modle nergtique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.6 Rsum des modlisations d'un accumulateur NiMH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

7.7 Battery Management System : BMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

7.7.1 Rle du BMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

7.7.2 Les estimations indispensables au BMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

7.8 Observateur d'tat de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

7.8.1 Mthodes de dtermination de l'tat de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

7.8.2 Equation d'tat de l'observateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

7.8.3 Rglage du ltre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

7.8.4 Validations exprimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

7.9 Prise en compte de l'volution des paramtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

7.9.1 Prise en compte de la temprature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

7.9.2 Prise en compte du vieillissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

7.10 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

IV Synthse 117

8 Bilan 118

8.1 Rsum des travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

8.2 Faire converger l'originalit et le pragmatisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

9 Perspectives 121

9.1 Perspectives 5 ans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

9.2 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

9.3 Perspectives au del des 5 ans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

9.3.1 Perspectives long terme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Remerciements

Je suis trs honor que Messieurs Jean FAUCHER Professeur l'ENSEEIHT de Toulouse, Stephan

ASTIER, Professeur l'ENSEEIHT de Toulouse, et Christian GLAIZE, Professeur l'Universit de

Montpellier, aient accept d'tre rapporteurs de mon Habilitation Diriger des Recherches. Je les re-

mercie chaleureusement pour l'intrt qu'ils ont port mon travail et pour les remarques constructives

sur la poursuite de mes travaux.

Je souhaite remercier Madame Betty SEMAIL, Professeur Polytech'Lille, ainsi que Monsieur Luc

LORON, Professeur Polytech'Nantes, d'avoir accept de participer ce jury. Je souhaite galement

leur exprimer toute ma reconnaissance pour m'avoir donn, chacun leur manire au dbut de ma

carrire, le got pour la modlisation et l'identication.

Je tiens remercier Monsieur Franois BADIN, Directeur de Recherches l'IFP de Solaize, d'avoir

accept de participer ce jury. Je tiens galement le remercier pour les collaborations trs construc-

tives que nous avons entreprises.

Je tiens particulirement remercier Monsieur Guy FRIEDRICH, Professeur l'Universit de

Technologie de Compigne, pour m'avoir donn des conditions trs favorables au dveloppement et

la valorisation de mes travaux de recherches au sein de son laboratoire, ainsi que pour ses nombreux

encouragements et conseils.

Mes remerciements seraient incomplets si je ne mentionnais pas l'ensemble des membres du Labo-

ratoire d'Electromcanique de Compigne pour leur aide et leur convivialit au quotidien.

Je ne saurais terminer ces remerciements sans mentionner ma famille et mes amis qui m'ont soutenu

par leurs encouragements et leur patience tout au long de ces annes.

5

Premire partie

Activits d'enseignements

6

7Christophe Forgez

Formation

1998 Doctorat de l'Universit des Sciences et Technologies de Lille

Spcialit : Gnie Electrique

Titre de la thse : "Mthodologie de modlisation et de commande par rseaux arti-

ciels de neurones pour des dispositifs lectrotechniques non linaires"

1995 DEA de gnie lectrique obtenu l'Universit des Sciences et Technologies de Lille

1993 Diplme d'ingnieur EUDIL (Ecole Universitaire D'Ingnieurs de Lille)

Spcialit : Informatique, Mesures, Automatique, Electrotechnique

Activit d'enseignement

Depuis Matre de Confrences l'Universit de Technologie de Compigne.

sept 1999 Participation aux enseignements d'lectronique, d'lectromagntisme, ouverts aux

tudiants des direntes branches l'Universit de Technologie de Compigne. Res-

ponsable de l'unit de valeur TI22 du Master Recherche Technologies de l'Information

et des Systmes. Responsable de l'unit de valeur d'automatique (MC06) de la lire

Mcatronique Actionneurs Robotisation et Systmes

1999 ATER l'Universit de Technologie de Compigne

19951998 Vacations l'Ecole Centrale de Lille dans le cadre du doctorat

Administratif Membre lu au bureau de dpartement Gnie Mcanique 2000-2002 et 2002-2004

Recherche

Encadrement -Thse de Emmanuel KUHN

de thse Contribution la conception optimale d'une chane de motorisation

hybride parallle : choix d'un modle d'accumulateur (soutenue le 28 septembre 2004)

-Thse de Pascal LY

Commande optimale d'un alterno-dmarreur intgr avec prise en compte de la satu-

ration magntique (soutenue le 11 juin 2003)

-Thse de Dinh Vinh DO

Diagnostic de batterie Li-ion dans les applications embarques (soutenance n 2009)

Contrats -Predit SIMSTOCK projet de ralisation d'une bibliothque de modle d'lments

de stockage lectrique pour le logiciel AMESim commercialis par la socit LMS (ex

IMAGINE).

-Contrats rgionaux dans le cadre du pleDIVA (Diagnostic et Vhicules Avancs)

sur la modelisation et le diagnostic de batteries en vue d'amliorer la gestion d'nergie

au sein des vhicules hybrides. Partenariat avec le Laboratoire de Ractivit et chimie

des solides d'Amiens.

-Contrats de recherche avec VALEO Systmes Electriques dans le cadre du pro-

gramme de recherches communes entre VALEO et le LEC. Les thmes de ces contrats

concerns l'identication des paramtres d'un alterno-dmarreur asynchrone et de sa

surveillance thermique.

Congrs Reviewer IEE, IEEE, IECON, IFAC, ELECTRIMACS, JCGE

Co-organisateur du congrs EF2009

Activits d'enseignement

Les enseignements

Mon recrutement en tant que Matre de Confrences l'Universit de Technologie de Compigne en

septembre 1999 a prcd le dpart de Luc LORON un an plus tard pour une promotion de Professeur

Saint -Nazaire. Cette anticipation a permis d'eectuer une transition dans de bonnes conditions des

responsabilits d'enseignements notamment au niveau de l'unit de valeur MC06. Cette unit de valeur

reprsente un enseignement de synthse pour la formation d'ingnieurs mcaniciens en lire MARS

( Mcatronique Actionneurs Robotisation et Systmes ). Son objectif est de donner, l'tudiant, les

outils qui lui permettront de mettre en oeuvre une commande d'axe lectromcanique (analogique ou

numrique), base sur l'ore technologique industrielle. Elle comporte 3 parties :

Modlisation de l'entranement comprenant : l'actionneur, son alimentation, la charge mcanique

et la chane de mesures (capteurs).

Principe de la commande et rglages des correcteurs : partir de la modlisation de l'entranement

et des rappels d'automatique concernant le rglage des correcteurs, l'enseignement s'oriente sur la

critique des performances de la commande d'axe ainsi ralise. Cette partie s'tend la gnration

de trajectoire et la commande multi-axes.

Aspects technologiques et bilan de l'ore industrielle pour la constitution d'axes motoriss : cap-

teurs de position, de vitesse et de courant, variateur de vitesse, carte d'axe. Une part importante

de cette UV est consacre l'exprimentation, soit en TD (outils de CAO et de simulation :

Matlab Simulink), soit en TP sur du matriel industriel.

Les eectifs tudiants dans la lire Mcatronique tant insusants, nous ne possdons pas de

Master Recherche en Gnie Electrique l'UTC. An de recruter nos meilleurs tudiants en thse

pour notre Laboratoire, nous les envoyons soit en Master Recherche de Gnie lectrique dans une

autre universit, soit en Master Recherche "Technologie de l'Information et des Systmes" l'UTC en

parallle leur formation d'ingnieurs pour ceux d'entre eux qui ont plus la bre contrle des systmes.

Automaticien de formation, j'ai donc t amen enseigner au sein du Master Recherche "Technologies

de l'Information et des Systmes" de l'UTC, dans laquelle les membres du Laboratoire participent

une unit de valeur (TI22) ddie l'identication et la commande de machines lectriques. Depuis

2004 je suis responsable de cette unit de valeur que je partage avec Vincent LANFRANCHI.

La refonte des Masters l'UTC, a abouti la cration d'un Master mcatronique vocation euro-

penne. Celui ci se fera en partenariat avec l'universit de Braunchweig en Allemange. Ds la rentre

2008, plusieurs units de valeurs seront proposs par les enseignants de la lire MARS notamment au-

tour de la conception optimale et la commande de systmes actionns lectriquement. Dans ce contexte

l'unit de valeur TI22 et son contenu seront repris intgralement. J'aurai, de plus, la co-responsabilit,

de la cration d'une unit de valeur concernant la mise en oeuvre de commande temps rel sur micro

contrleur, FPGA ou DSP. Pour cette unit de valeur quatre enseignants apporteront leurs expertises

dans un domaine prcis. Ce partage me permettra de ne pas alourdir ma charge d'enseignement.

8

9Outre ces enseignements dont j'ai la responsabilit, je participe galement des enseignements

fondamentaux en branche Gnie Mcanique notamment en lectronique, en lectromagntisme, ainsi

que des enseignements de base de l'automatique. Depuis 2005, je participe galement des ensei-

gnements de physique en Tronc Commun (classe prparatoire intgre de l'UTC). L'ensemble de ces

enseignements est recens dans le tableau 1.

Tab. 1 Liste de participation (responsabilit*) aux UVs

PS22 Mesures physiques Tronc commun

EN21 Bases de l'lectronique analogique Dbut de branche

EN14 Fonctions lectroniques pour l'ingnieur Milieu de branche

EL01 Phnomnes lectromgntiques Dbut de branche

SY04 Systmes asservis linaires Milieu de branche

MC06* Modlisation, dimensionnement et rglage d'axes lectromcaniques Fin de branche

TI22* Modlisation,commande et identication des systmes dynamiques Master

* Applications mcatroniques de l'lectronique numrique Master (2009)

Charge d'enseignement

L'volution de ma charge d'enseignement est reprsente gure 1. Les premires annes ont t

marques par charge importante due essentiellement des besoins en travaux pratiques en lectronique

qu'il a fallu combler dfaut de doctorants pour les eectuer. Avec le dpart de Luc LORON et par

consquent la prise de responsabilit de l'unit de valeur MC06, 2001-2002 marque l'anne record

en terme de charge d'enseignement. Depuis grce aux recrutements de Vincent LANFRANCHI en

2001, puis de Stphane VIVIER en 2004 et une meilleure rpartition des enseignements avec la

participation de plusieurs doctorants en travaux pratiques, ma charge d'enseignement a rejoint une

norme relativement acceptable, ce qui contribue favoriser la monte en puissance de mon activit de

recherche au sein du laboratoire.

Fig. 1 Evolution de ma charge d'enseignement (en heures quivalent TP)

10

Ma contribution l'enseignement en mcatronique

Contribution technologique

Ma contribution personnelle dans l'enseignement de la mcatronique l'UTC, s'est porte essen-

tiellement sur une adaptation de l'enseignement de l'UV MC06, dont j'ai la responsabilit, en rapport

une ractualisation de l'ore technologique industrielle. L'omniprsence du numrique dans les com-

mandes modernes, a rendu incontournable cette rnovation au sein d'une UV dont l'enseignement du

contrle numrique tait reste jusqu'ici thorique. A partir de l'ore technologique ddie au contrle

d'actionneurs lectriques, j'ai donc port l'eort sur l'introduction, au sein de l'UV MC06, d'un cours

sur l'utilisation d'un processeur numrique de signal (DSP) pour des commandes temps rel, puis la

mise en pratique en TP sur carte TMS320F2812. Actuellement, l'eort se porte sur la formation aux

outils de prototypage rapide, avec une mise en pratique sur carte DSPACE DS1104. Ainsi l'objectif

de cette UV concernant la conception et la mise en oeuvre de commande d'actionneurs lectrique est

atteint.

Contribution pdagogique

Comme je l'ai indiqu prcdemment les nouveaux recrutements m'ont permis un rquilibrage de

ma charge d'enseignement. La gure 2 reprsente la rpartition de mes enseignements au cours de

l'anne universitaire 2006-2007 en quatre catgories : cours magistraux, travaux dirigs (TD), travaux

pratiques (TP) et projets tudiants.

Fig. 2 Rpartition de la charge d'enseignement 2006-2007

La catgorie projets concerne des projets pdagogiques raliss par des tudiants au sein de l'UTC.

Je tiens personnellement ce genre d'enseignement, car je pense qu'il est beaucoup plus formateur

pour l'tudiant que les enseignements traditionnels, certes fondamentaux, mais trop scolaires mon

got. Pour moi, la ralisation d'un projet permet l'tudiant d'acqurir la fois

une prise de conance dans ses comptences,

une confrontation des problmes techniques,

une pratique de la gestion de projet,

une structuration de ses connaissances,

bien plus qu'un savoir, un savoir faire.

Pour la formation cela apporte :

une mulation entre tudiants,

un veil de leur curiosit,

une ractualisation de l'adquation entre la formation et l'ore technologique industrielle,

un brassage des comptences entre dpartements au sein de l'universit,

11

une vitrine technologique d'un savoir faire enseign.

A titre d'exemple, voici deux projets raliss dans le cadre de cette activit.

Projet de mini Segway : ralisation d'un Segway miniature destin aux travaux pratiques de

MC06. L'intrt de ce genre de maquette est de faire comprendre aux tudiants l'approche systme

de la mcatronique par l'association de capteurs, d'actionneur et de contrleurs numriques, tout en

restant ludique puisque le but est de parvenir maintenir le mini Segway en quilibre sur 2 roues

parallles puis de le dplacer.

Fig. 3 Mini Segway ralis dans le cadre d'un projet d'tudiants

La ralisation d'un Segway taille rduite, constitue une premire tape permettant d'valuer la

faisabilit les dicults avant de passer l'echelle relle.

Projet PETALE (Projet EDF/UTC de Test Automatique L'hlium sous Eau) : ralisa-

tion d'un robot araigne submersible, destin la dtection de fuite dans les circuits de refroidissement

des centrales nuclaires d'EDF. Ce projet pdagogique tuteur par EDF sur plusieurs semestres, a

permis aux tudiants de Gnie Mcanique et Systmes ainsi que de Gnie Informatique, d'allier leurs

comptences sur la dnition de la structure mcanique du robot, de sa motorisation, jusqu' l'opti-

misation du dplacement du robot.

Deuxime partie

Activits de recherche

12

Chapitre 1

Le contexte scientique et technologique

1.1 L'environnement de travail

L'organisation scientique du Laboratoire d'Electromcanique de Compigne (LEC) est centre

autour d'un seul domaine de comptences, intitul :

"Actionneurs lectriques et systmes de motricit nergie lectrique embarque".

Ce domaine ncessite la matrise des aspects aussi varis que l'lectromcanique, l'lectronique de

puissance, la commande, mais aussi les contraintes lies la thermique, l'acoustique, ou encore au

source de stockage d'nergie lectrique. Dans cette optique, ce domaine de comptence est structur

en deux thmatiques :

Conception, optimisation, modlisation des machines lectriques et de leur commande

Alimentation des systmes nergie embarques.

La thmatique "Conception, modlisation et optimisation des actionneurs lectriques"

a pour objectif l'tude d'actionneurs lectriques prsentant un caractre novateur tant au niveau de

la structure (machine, lectronique de puissance et commande), que des conditions d'utilisation de

structures plus classiques. Cet axe ncessite une approche scientique et technologique pluridisciplinaire

associant l'lectrotechnique, l'lectronique de puissance, la commande, la thermique, la mcanique,

ainsi que les outils mathmatiques de l'analyse numrique et de l'optimisation. Quatre actions sont

entreprises dans cette thmatique :

Conception optimale qui consiste partir d'un cahier des charges, proposer la structure de

machine la mieux adapte l'application (cot, encombrement, production en masse), et d'en

dnir les paramtres qui garantissent les meilleures performances.

Commande de machine synchrone sans capteur. Action mene dans le cadre de la rduction du

cot des actionneurs destins particulirement au milieu automobile : Application l'alterno

dmarreur.

Dveloppement de modles adapts la commande. Ce thme concerne la modlisation de l'ac-

tionneur dans son environnement. L'objectif est d'tablir les rpercussions de la commande de

l'actionneur sur le systme motoris : Application aux chanes de traction hybrides.

Identication "temps rel" de machine en vue de leur contrle. Ce thme contribue la

supervision des actionneurs, en vue de prvenir certaine dfaillance, ou simplement ractualiser

les valeurs de paramtres de commande en temps rel an d'amliorer les performances.

La thmatique Alimentation des systmes nergie embarques porte plus particulirement

sur les convertisseurs de puissance et leur alimentation. La recherche constante d'une augmentation

13

CHAPITRE 1. LE CONTEXTE SCIENTIFIQUE ET TECHNOLOGIQUE 14

d'autonomie des systmes nergie embarque impose un dimensionnement et un contrle optimal des

actionneurs, mais galement de leur systme d'alimentation. Deux actions sont dveloppes dans cette

thmatique :

Stratgie de modulation de largeur d'impulsions en vue de l'optimisation de certains critres

(rendement, bruits acoustiques, mais aussi rduction des lments passifs et des perturbations

conduites).

Modlisation de dispositifs lectrochimiques dans les applications embarques. Ce

thme dvelopp en collaboration avec le Laboratoire de ractivit de chimie des solides (LRCS),

vise proposer une modlisation adapte au domaine du Gnie Electrique d'lments de sto-

ckage lectrochimiques, en vue d'une simulation de type "systme", mais aussi en vue de leur

surveillance, qui permettra un fonctionnement "plus sr" et une augmentation de leur dure de

vie.

Les atouts du laboratoire sont une connexion permanente des sujets dvelopps avec les proccu-

pations industrielles, ainsi qu'une dmarche exprimentale systmatique.

Mon recrutement au laboratoire a contribu la reprise des activits de recherches de Luc LORON

sur l'identication temps rel de machines lectriques par ltrage de Kalman. Cette comptence dans

le laboratoire est justie pour la surveillance ou l'adaptation de lois de commande de machines. Trs

rapidement mon activit s'est tendue la ralisation et d'identication de modle de systme. An

de modliser le plus dlement possible le systme, celui ci est modlis par composants plutt que

globalement d'un point de vue macroscopique. Traditionnellement la reprsentation des composants

lectriques et mcaniques est bien connue de notre communaut. En revanche, la connaissance de

l'interaction des actionneurs avec des sources d'alimentation lectrochimiques est encore mal matrise

mais pourtant indispensable si l'on souhaite grer de manire optimale les ressources nergtiques

embarques. C'est dans ce contexte que nous avons dcid d'orienter mes comptences an d'tendre

les comptences du laboratoire dans l'approche systme des actionneurs lectromcaniques ddis au

systmes nergie embarque.

1.2 L'approche systme

Dans toutes applications lectromcaniques, l'actionneur doit tre peru dans son environnement,

an de prendre en compte tous les couplages possibles. Il s'agit d'applications mcatroniques. Pour

assurer l'optimalit de l'actionneur, il est ncessaire de recourir une modlisation la plus complte du

systme dans lequel volue l'actionneur. Cette modlisation ncessite une approche pluridisciplinaire.

Outre cette dicult ncessaire surmonter pour pouvoir modliser compltement un systme, il est

galement compliqu d'unier la modlisation. En eet, il est souvent ais de dterminer des modles

mathmatiques. En revanche, il est parfois bien moins ais d'exploiter ce genre de modle pour en tirer

la fois des renseignements sur les comportements dynamiques et les transferts nergtiques.

De plus, si les modles mathmatiques trs sophistiqus sont apprciables pour simuler hors ligne

un systme, leurs utilisations en temps rel, pour la commande ou la supervision, ne peut s'eectuer

qu'au prix de simplication ou rduction d'ordre. Un compromis doit tre trouv de manire d-

nir un modle susamment simple pour pouvoir tre implant pour des calculs en temps rel, mais

susamment sophistiqu pour rendre compte au mieux des phnomnes les plus signicatifs.

CHAPITRE 1. LE CONTEXTE SCIENTIFIQUE ET TECHNOLOGIQUE 15

1.3 Les outils utiliss

Ce mmoire ne fait pas tat d'un formalisme ou d'une mthodologie que nous aurions dvelopp

pour atteindre une modlisation systme. En revanche, tous les outils dvelopps prsentent un point

commun qui est la caractrisation d'un modle partir de donnes exprimentales.

En eet si il est commun d'utiliser des mthodes par lments nis pour dterminer les paramtres

d'un schma quivalent d'une machine lectrique, il est bien souvent indispensable de rajuster ces

paramtres une fois la machine construite pour tenir compte au mieux des imperfections, modications

ou tolrances dues la construction.

Dans d'autres domaines, comme par exemple en lectrochimie, il est dicile voire quasiment im-

possible de reprsenter d'un point de vue macroscopique, les eets de nombreux facteurs agissant sur

la matire active (temprature, vieillissement,...). La caractrisation exprimentale est alors le seul

moyen d'obtenir une modlisation able de la dynamique.

Les travaux prsents dans ce mmoire, prsentent une partie de mes travaux eectus jusqu'

prsent, et exposent trois manires d'apprhender la caractrisation d'un modle partir de donnes

exprimentales :

Apprentissage de caractristiques par rseaux de neurones

Caractrisation frquentielle largie aux systmes drives non entires

Identication en ligne par ltrage de Kalman

Au cours de mes travaux de thse sur les rseaux articiels de neurones, nous avions montr com-

ment partir d'chantillons exprimentaux, dterminer un modle des caractristiques du systme

tudi, et comment l'utiliser directement en tant que correcteur. Ainsi, nous avions montr comment

eectuer une vraie commande non linaire partir de l'apprentissage des caractristiques exprimen-

tales d'un systme.

La modlisation par rseaux de neurones ncessite un chantillonnage de tout l'espace d'tat. C'est

pourquoi, les caractrisations par approches frquencielles (trac de Bode) sont souvent prfres pour

la modlisation de systmes d'ordre lev. C'est ce que nous avons utilis pour modliser les phnomnes

dynamiques au sein de batteries. Les phnomnes diusifs prsents au sein des ractions chimiques,

nous ont oblig largir cette approche aux systmes drives non entires. L'une des dicults

rencontres a t de trouver une reprsentation par schma lectrique quivalent an de transcrire la

dynamique ainsi modlise par un outil purement mathmatique en terme de transfert de ux d'nergie.

Au-del de la comprhension physique, la reprsentation par schma lectrique quivalent est recher-

che an de permettre le couplage entre des phnomnes de direntes natures (thermique, chimique,

lectrique,...).

Une fois le modle structur et representable par une rcurrence nie, le modle peut alors tre

implant sur un calculateur temps rel dans le cadre d'une application embarque. L'intrt de cette

utilisation consiste permettre une observation du systme, en vue d'une estimation des tats du

systme ou d'une identication paramtrique. Dans ce contexte, nous employons le ltre de Kalman

qui ore une optimalit au niveau de l'observation tout en tenant compte des incertitudes des chanes

d'acquisition. La caractrisation du modle du systme partir de donnes exprimentales va nous

permettre de tenir compte, au sein de cet observateur, de caractristiques non linaires et renforcer

la conance dans les observations, par le biais de cette connaissance du systme (renforcement par

modle a priori).

Chapitre 2

Le contexte conomique

2.1 Electrication des lments de confort et de scurit dans l'auto-

mobile

La multiplication des lments de confort et de scurit au sein des vhicules de tourisme a contribu

l'augmentation du nombre de consommateurs lectriques embarqus. Choisis pour leurs performances,

leur faible cot, leur source d'nergie disponible et facile rpartir, les actionneurs lectriques s'im-

posent dsormais dans le monde automobile. Il n'est plus rare de voir que des actions habituellement

purement mcaniques ou hydrauliques ont t associes voire remplaces par des motorisation lec-

triques. Citons titre anecdotique l'volution de la direction assiste : initialement hydraulique, elle

a alors t hybride en lectro-hydraulique avant d'tre compltement lectrie, sans oublier le 'steer

by wire' qui nira par liminer l'avenir toute liaison mcanique entre le volant et la crmaillre.

Cependant, l'augmentation du nombre de consommateurs lectriques embarqus sature l'ore ner-

gtique gnre bord. De plus de nouvelles technologies, telles que les soupapes lectromagntiques

qui visent rduire signicativement la consommation de carburant, consomment plus de 2kW elles

seules ; celles-ci ne peuvent donc voir le jour tant que la gnration d'lectricit ne sera pas suprieure

celle actuelle qui est d'environ 3kW.

Face cette volution les constructeurs et quipementiers sont contraints repenser le rseau de

bord des vhicules :

gnrateurs de plus fortes puissances

augmentation de la tension du rseau de bord

optimisation de loi de gestion des ressources lectriques

volume stockage lectrique, hybridation des lments de stockage (association batteries-supercapacit)

Or, le milieu automobile est trs concurrentiel et l'volution d'un rseau de bord implique des chan-

gements majeurs au niveau de l'industrialisation et des quipements. Par consquent, tout changement

dans ce domaine ne peut tre motiv que, soit par des gains de productivit notables, soit par une

ncessit de rupture technologique.

16

CHAPITRE 2. LE CONTEXTE CONOMIQUE 17

2.2 Vers une rupture technologique invitable

2.2.1 Les causes :

La production massive et ininterrompue de gaz eet de serre par les puissances industrielles, ainsi

que les problmes de sant publique qui y sont rattachs ont naturellement plac l'environnement au

coeur des proccupations actuelles. Malheureusement, l'augmentation mondiale des transports va

l'encontre de ce constat.

Conscients de leur responsabilit dans les problmes de pollution, les dirents acteurs industriels et

politiques tentent depuis quelques annes de concilier production de masse et cologie, c'est le concept

du dveloppement durable. Ainsi les constructeurs automobiles investissent pour produire des vhicules

moins polluants et se conformer aux diverses rglementations en cours. Celles-ci varient selon les pays

concerns. En Europe, les normes d'mission EURO xent les limites maximales de rejets polluants

(CO, NOx, particules) s'appliquant aux vhicules neufs. De plus, des objectifs volontaires de rduction

d'mission de CO2 sont xs par l'A.C.E.A (Association des Constructeurs Europens d'Automobile),

comme l'illustre le tableau 2.1.

Taux de CO2 186g/Km 140g/Km 120g/Km

Anne 1995 2008 2012

Tab. 2.1 Objectifs xs par l'A.C.E.A de rduction des missions de CO2 pour les vhicules de

tourisme.

Bien que ces proccupations environnementales soient louables, ce sont d'avantage des proccu-

pations conomiques et politiques qui vont dicter l'volution technologique. En raison de la demande

nergtique due la croissance erne de la Chine et de l'mergence de l'Inde, de la spculation et

des troubles au Moyen-Orient, nos conomies occidentales vont devoir prendre en compte le renchris-

sement du prix du baril (Fig. 2.1).

A ce prix, ce n'est pas une diminution de la consommation de ptrole que l'on constate, mais une

augmentation des prots des companies ptrolires, ce qui attise leur apptit de nouvelles prospections.

Signe des temps, 2007 aura vu la revendication par la Russie de fonds sous marins arctiques, bientt

librs des glaces en raison du rchauement climatique. Mme pour les pays non producteurs de

ptrole, les ventes des produits ptroliers reprsentent une manne nancire importante. Pour la France,

cela correspond entre 10 20% de son budget. Il serait paradoxal de vouloir se passer d'un tel revenu.

Cependant, l'exploitation intensive du ptrole amenuise les rserves qui sont par dnition en

quantit limite. Une rupture technologique visant se passer dnitivement du ptrole doit tre

tudie pour le long terme. A court terme, en raison des enjeux conomiques que reprsente le ptrole,

c'est plutt sur des technologies visant une rduction de la consommation et des missions de CO2 que

les eorts vont se porter.

2.2.2 Des solutions

Pour faire face aux dirents problmes voqus, plusieurs possibilits sont envisageables.

Il est tout d'abord envisageable d'amliorer les motorisations existantes. L'lectronique contrlant

l'allumage et/ou l'injection a dj permis des progrs notables. D'autres technologies telles que le

contrle lectomagntique des soupapes sont encore en phase exprimentale et ne peuvent voir le jour

CHAPITRE 2. LE CONTEXTE CONOMIQUE 18

Fig. 2.1 Evolution du prix du ptrole de 1950 2008

pour l'instant ds lors qu'on dispose d'une gnration lectrique de bord susante.

Il est aussi possible de reconsidrer les chanes de traction. L'utilisation de vhicules lectriques sem-

blait tre une solution lgante au problme. De nombreux eorts ont t fournis durant les prcdentes

dcennies tant de la part des pouvoirs publics que des constructeurs ou quipementiers automobiles ;

cependant le march du vhicule lectrique reste encore relativement restreint un march de niche

(otte captive : poste, aroports, services publics, livraisons en ville, ...).

Les recherches eectues au niveau mondial durant les dix dernires annes ont permis de montrer

qu'il tait possible de crer des chanes de traction lectriques un cot plus rduit (hors accumulateurs)

que leurs quivalents thermiques et avec d'excellentes performances. Cet tat de fait est essentielle-

ment d une chute des cots de l'lectronique de puissance et une augmentation des performances

des composants de contrle autorisant un fonctionnement nettement plus performant des machines

lectriques.

Paralllement, les eorts ports sur les accumulateurs ont permis grce l'mergence des nouvelles

technologies, NiMH et Li-ion, d'augmenter considrablement les nergies massiques : nous sommes

passs en une vingtaine d'annes de 45 Wh/kg (batteries Ni/Cd) prs de 180 Wh/kg (batteries

Li-ion) (Fig. 2.2).

Malgr ces progrs spectaculaires, l'utilisation de batteries bord d'un vhicule tout lectrique

reste problmatique tant cause du prix et du temps de recharge des batteries que de leur autonomie

modeste. Le vhicule "tout lectrique" ne pourra donc rellement concurrencer les vhicules thermiques

que lorsque la technologie Li-ion sera parvenue maturit pour les applications de puissance, avec li-

mitation des cots et amlioration de la scurit, ou lorsqu'une technologie alternative, comme les piles

combustibles pourra se substituer aux systmes classiques d'accumulateurs.

En attendant les progrs de ces technologies (valus par les experts les plus optimistes pas avant

une dcennie pour une large diusion), des solutions intermdiaires restent envisageables. Une des so-

CHAPITRE 2. LE CONTEXTE CONOMIQUE 19

Fig. 2.2 Puissance massique en fonction de l'nergie massique des direntes technologies d'accu-

mulateurs (Source : NASA/TM 2003 212730)

lutions consiste quiper les vhicules de deux types de motorisations : une motorisation lectrique

pour les circuits urbains et une motorisation thermique pour les longues distances extra-urbaines, de

manire rduire la puissance demande la batterie. Ce type de motorisation est frquemment dsi-

gn sous le terme gnrique "motorisation hybride" [Miller, 2004]. En fonction du type de conduite

(dmarrage, acclration) le groupe lectrique sera utilis seul ou en assistance du groupe thermique.

L'intrt de ce type de vhicule est de parvenir des gains en consommation signicatifs. De l'ordre de

10% 15% sur vhicule diesel de moyenne cylindre [Plasse, 2001], et jusqu' 35% pour des vhicules

essence (chires communiqus par le constructeur japonais Toyota, leader sur le march des vhicules

hybrides avec son modle Prius commercialis depuis 1998). Les vhicules hybrides se dclinent en

deux familles : l'hybride srie et l'hybride parallle [Gutmann, 1999], [Beretta, 1998]. La gure 2.3

permet de comparer les deux architectures.

Dans une conguration hybride srie, le moteur thermique alimente en permanence la batterie via

un alternateur. L'architecture srie a t mise au point pour permettre au moteur thermique de

fonctionner autour de son optimum de consommation. Malheureusement ce type d'architecture

ncessite l'utilisation de deux machines lectriques dont le dimensionnement en puissance doit

tre le mme que celui du bloc thermique.

Dans l'optique de rduction des cots, seule la structure parallle peut tre envisage. Dans

cette architecture, les machines thermiques et lectriques fournissent "ensemble" la puissance

ncessaire au vhicule. La machine lectrique peut, grce cette conguration, fonctionner en

gnrateur et viter ainsi l'utilisation d'une machine spcique. La contre partie de cette struc-

ture rside dans un systme de transmission relativement complexe mais maintenant matris

(Fig. 2.4), et la ncessit d'un systme de gestion d'nergie performant pour optimiser la dure

de vie des batteries et minimiser les consommations de carburant [Scordia, 2004].

CHAPITRE 2. LE CONTEXTE CONOMIQUE 20

Fig. 2.3 Architecture des vhicules hybrides srie et parallle.

Fig. 2.4 Architecture de la chane de propulsion de la TOYOTA Prius

2.3 Orientation de ma recherche

Au vu de ces changements technologiques amorcs dans l'automobile, il apparat clairement des

besoins importants en terme de conception optimale, au sens large, de systme actionn lectriquement.

Si les mthodologies de conception d'actionneurs lectriques sont maintenant devenues familires et

standardises, la dnition de leurs cahiers des charges, prambule indispensable avant toute concep-

tion, reste encore une tape dlicate. Cette tape est rendue d'autant plus dlicate lorsque l'actionneur

fait partie d'un systme embarqu qu'il faut lui mme optimiser. L'optimisation de l'architecture d'un

vhicule hybride lectrique illustre parfaitement cette problmatique : avant mme de concevoir la

machine lectrique pour ce genre de vhicule, il est indispensable de dnir son cahier des charges et

avant cela de dnir le taux d'hybridation que l'on pense idal pour minimiser la consommation de

CHAPITRE 2. LE CONTEXTE CONOMIQUE 21

carburant. La complexit des systmes mis en oeuvre, montre donc l'importance de la modlisation

pour la simulation en vue de la conception.

En ce qui concerne la commande d'actionneurs lectriques, de nombreux travaux ont largement

tabli les performances en termes d'optimalit et de robustesse des commandes directe en couple

(DTC) et commande vectorielle.

En revanche, des demandes en termes de commande sans capteur se font ressentir pour des besoins

de limitations de cot d'industrialisation notamment pour un march automobile trs concurentiel. La

demande en terme d'observation de systme est galement motiv par des besoins de surveillance. L

encore, si les outils d'observation sont connus depuis plusieurs dcennies [Kalman, 1960], les modles

lis l'observateur doivent donc cependant tre adapts selon les applications pour palier les pertes

d'observabilit ou de sensibilits des variables observes, et ainsi rendre able l'observation sur toute

la zone de fonctionnement de l'application.

Tous ces besoins reposent donc sur la ncessit d'une modlisation la plus dle aux ralits phy-

siques qu'il faut ensuite pouvoir intgrer au sein d'un observateur qui permet de garantir la robustesse

des prdictions du modle. Vis--vis de ces constatations ainsi tablies, mes travaux de recherche se

sont donc naturellement ports sur la modlisation dynamique et l'identication avec pour orientation :

la surveillance d'un systme

la simulation d'un systme en vue de son dimensionnement

La troisime partie de ce mmoire est consacre au dveloppement de ces travaux de modlisation

et d'identication temps rel. En particulier, les applications de surveillance thermique d'un alterno-

dmarreur et de dtermination de l'tat de charge de batterie illustre l'utilisation d'observateur opti-

maux (ltre de Kalman) en vue de la surveillance de systme. Les modles de batteries tablis pour

l'implantation temps rel de l'observateur peuvent galement tre utiliss des ns de simulation d'un

systme complet en vue de son valuation et rpondre ainsi la seconde orientation de mes travaux

de recherche.

Chapitre 3

Activits contractuelles

3.1 Surveillance thermique d'un alterno-dmarreur

3.1.1 Prsentation du projet alterno-dmarreur et collaboration VALEO

Dans un contexte de recherche de diminution de la consommation de carburant, et pour faire face

l'augmentation croissante de la consommation d'lectricit bord des vhicules de tourisme, les

quipementiers et constructeurs automobiles envisagent d'assurer les fonctions gnrateur lectrique et

dmarreur par une machine lectrique unique, l'alterno-dmarreur [Plasse, 2001].

Une premire famille de solutions, dite " alterno-dmarreur spar " est implante en lieu et place

de l'alternateur. Il en rsulte un systme simple et conomique, ne ncessitant pas de modication du

bloc moteur existant. Le systme d'entranement par courroie est adapt de faon tenir compte du

fonctionnement rversible [Chen et al., 2002][Teratani et al., 2003].

Dans le cas de la seconde famille, dite " alterno-dmarreur intgr " (ADI), la machine est place

entre le moteur et la bote de vitesses (Fig. 6.1), ce qui permet de transmettre des puissances et des

couples plus importants. En revanche, en raison de la position intercalaire de l'ADI, les points de

xation du groupe moto propulseur doivent tre modis.

L'emplacement de l'ADI a fortement contraint son dimensionnement pour aboutir un faible

encombrement (Fig. 6.1) dont la largeur n'excde pas sept centimtres. Cette conguration, par sa

structure, s'apparente celle d'une architecture hybride parallle [Beretta, 1998]. Les couples du

moteur thermique et de la machine lectrique peuvent s'ajouter ou se compenser en partie. L'emplace-

ment ore donc l'intrt de pouvoir augmenter le nombre de fonctions ralises par l'alterno-dmarreur,

notamment pour l'assistance du moteur thermique par la machine lectrique. Dans ces modes de fonc-

tionnement, l'ADI est utilis en moteur respectivement pour amliorer le rendement de la motorisation

thermique ou pour accrotre transitoirement le couple disponible sur de brves priodes. L'Alterno-

Dmarreur Intgr constitue donc une premire solution avant la forte hybridation du vhicule pour

rpondre de nouvelles exigences dans l'automobile.

La ralisation d'un ADI relve d'une double optimisation. D'une part, la conception de la machine

doit tre optimale au regard des contraintes gomtriques, thermiques et lectriques an de garantir

les performances spcies pour l'application. La conception de la machine est rendue d'autant plus

dlicate que les deux fonctions principales de l'ADI sont extrmement direntes, car la machine doit

dvelopper un fort couple au dmarrage pour entraner le moteur thermique jusqu'au rgime de ralenti

et fournir une puissance lectrique sur une large plage de vitesses en mode alternateur. D'autre part,

22

CHAPITRE 3. ACTIVITS CONTRACTUELLES 23

Integrated Starter Generator Internal Combustion Engine

Fig. 3.1 Emplacement d'un alterno-dmarreur intgr VALEO

il faut optimiser les lois de commandes an d'exploiter au mieux les performances de la machine. De

plus, la mise en oeuvre de la commande doit tre ralise pour un cot minimal.

C'est dans ce contexte que le Laboratoire d'Electromcanique de Compigne et VALEO Systmes

Electriques ont sign depuis 2000 une convention de laboratoire commun pour le dveloppement

d'alterno-dmarreurs. Le cadre de cette convention tabli les rgles de fonctionnement et de nan-

cement de nos collaborations. Les avantages de cette association sont nombreux :

mise en commun de moyens d'essais

collaboration long terme

rcurrence des projets

...

3.1.2 Surveillance thermique de l'alterno-dmarreur (2000-2002)

Les quatres premires annes de l'existence de ce laboratoire commun ont t ddies l'tude

et le dveloppement d'alterno-dmarrreurs dans leur version intgre. Ces tudes ont concern plus

particulirement le dimensionnement et la commande optimale de machines asynchrones et synchrones.

An de prendre en compte les fortes contraintes inhrentes l'application alterno-dmarreur, une

des tudes adosses la commande optimale a concern l'identication en ligne des paramtres de la

machine asynchrone, machine pressentie comme la plus ligible pour ce type d'application en raison de

ses faibles cots de production en masse et d'entretien. An de garantir l'optimalit de la commande,

et notamment du couple, il est ncessaire de prendre en compte la constante de temps rotorique ainsi

que de la saturation magntique des matriaux dont les inductances sont dpendantes. Une tude pour

VALEO a donc consist tudier la possibilit de dterminer l'volution des paramtres en fonction

de la magntisation de la machine et de la temprature simplement partir des mesures lectriques

(courants, tensions) et de la vitesse.

CHAPITRE 3. ACTIVITS CONTRACTUELLES 24

3.2 Projets du ple DIVA

3.2.1 Prsentation du ple DIVA et collaboration avec le LRCS

Ce ple rgional de recherche et de dveloppement technologique est un laboratoire sans murs

regroupant des quipes travaillant dans un domaine o des comptences isoles ont t initialement

reconnues et o la mise en commun des eorts peut aboutir un ensemble cohrent de taille nationale

ou internationale. La rgion Picardie favorise ce genre de regroupement pour satisfaire deux objectifs :

tayer l'image de comptence et de savoir-faire dans la rgion Picardie an d'attirer des person-

nalits de renom dans les tablissements d'enseignement suprieur et de recherche an de nourrir

le terreau culturel du dveloppement conomique et d'entretenir cette image.

favoriser l'innovation technologique et par voie de consquence le dveloppement conomique.

La thmatique " Diagnostic et Vhicules Avancs " est la rencontre d'une proccupation scien-

tique, le Diagnostic, et d'un domaine d'application, les robots mobiles. Par robot mobile, on entend

au sens large les engins capables d'voluer en deux dimensions , avec une cible privilgie qu'est l'au-

tomobile dont on connat l'importance conomique, mais aussi les engins se dplaant suivant trois

dimensions (avions, hlicoptres, etc).

Le rapprochement Diagnostic et Vhicules Avancs est particulirement pertinent tant il est vident

que la sret de fonctionnement est une qualit premire d'un systme dont dpend la vie humaine.

3.2.2 Projet DIVA 2000-2004

An d'tayer sa comptence dans le domaine des systmes nergie lectrique embarque, le LEC

a dcid de s'intresser aux sources lectriques et plus particulirement aux accumulateurs lectro-

chimiques. Dans le cadre de ce programme de recherche rgional, les instances ont incites les colla-

borations multi tablissements : c'est donc naturellement que nous nous sommes associs au LRCS

(Laboratoire de Ractivit et de Chimie des Solides) pour mettre en commun nos comptences an

d'tablir un modle de comportement dynamique et nergtique de batterie.

3.2.3 Projet DIVA 2006-2010

Suite cette premire collaboration russie entre nos deux laboratoires, et des rsultats promet-

teurs obtenus sur la prcision des modles, nous avons dcid de poursuivre notre association dans

le cadre de cette recherche rgionale. L'objectif ach dans cette deuxime participation consiste au

dveloppement des modles et de leurs couplages avec la temprature. A cet objectif s'ajoute galement

l'ambition de prendre en compte au sein de nos modles le vieillissement de l'accumulateur. A l'aide

des modles ainsi raliss, l'objectif est donc de pouvoir diagnostiquer l'tat de charge et de sant de

l'accumulateur.

3.3 Predit SIMSTOCK

3.3.1 Prsentation du prdit SIMSTOCK

Le Programme de REcherche et D'Innovation dans les Transports terestres (PREDIT) SIMSTOCK

propos un ensemble de partenaires publics (CEA, INRETS, IFP) et industriels (EDF, SAFT, BATS-

CAP, RENAULT, PSA, VALEO, IMAGINE(LMS)), se situe dans un contexte o la demande pour

des systmes de stockage d'nergie performants dans les vhicules du futur trs faible consommation

d'nergie est trs importante.

CHAPITRE 3. ACTIVITS CONTRACTUELLES 25

Les systmes de stockage d'nergie actuellement proposs prsentent des technologies, des perfor-

mances, des cots, et des maturits extrmement variables. Par ailleurs il apparat que leurs condi-

tions de abilit sont trs dpendantes de leurs usages et sont encore mal matrises. L'amlioration

des connaissances dans ce domaine ncessite une approche combinant la simulation, pour prendre en

compte le grand nombre de solutions possibles, et des essais pour mettre en vidence les conditions de

vieillissement des lments suivant leurs usages. Les comptences scientiques ncessaires pour un tel

projet sont nombreuses, l'approche en rseau propos dans le PREDIT SIMSTOCK permettra de les

runir et de rassembler sur cette thmatique un nombre signicatif de chercheurs.

Les objectifs du projet propos sont les suivants :

Raliser une bibliothque de modles de composants (batteries et supercondensateurs) qui puissent

tre utiliss pour raliser des packs de batteries pour vhicules hybrides lectriques.

Disposer de modles pouvant prendre en compte le vieillissement des composants en fonction de

leurs caractristiques et de leurs usages.

Valider les modles dvelopps partir des rsultats exprimentaux des essais raliss (fonction-

nement nominal et vieillissement)

Intgrer ces modles dans un modle global de simulation de vhicule.

Le projet comprend des parties thoriques, dnition et interprtation des essais, ralisation et

validation des modules de simulation, ainsi que des parties exprimentales qui sont la ralisation des

tests de caractrisation et de vieillissement des composants.

Fig. 3.2 Banc de cyclage batteries acquis dans le cadre du Predit SIMSTOCK

3.3.2 Prennisation du rseau

La prennisation du rseau propos, l'issue du projet, est un point important vis--vis des enjeux

industriels et scientiques du domaine vis. Dans le cas de SIMSTOCK celle-ci pourra tre assure du

fait notamment de la prsence dans le rseau de laboratoires de recherche de comptences complmen-

taires :

en lectrochimie

CHAPITRE 3. ACTIVITS CONTRACTUELLES 26

en matrise et interprtation des essais

en conditions d'usage des stockages

en simulation

tout en gardant une indpendance scientique.

L'association de ces laboratoires dans le rseau permettra chacun d'eux de disposer d'une ouver-

ture sur des domaines scientiques aux limites de ses propres comptences, renforant ainsi l'intrt de

s'investir dans cette structure ; " De la prsence dans le rseau d'un nombre signicatif d'industriels,

constructeurs de vhicules et utilisateurs des travaux ou fabricants de systmes de stockage et fournis-

seurs de solutions valuer ; " De la prsence dans le rseau d'une socit (IMAGINE SA), spcialise

dans la diusion et la maintenance des outils logiciels raliss au cours du projet. Cette socit assurera

la prennit du lien avec les industriels dans leurs projets futurs, ce qui ne correspond ni la vocation

ni aux comptences des laboratoires scientiques impliqus dans le volet recherche du projet ; " De la

prsence dans le projet d'un partenaire (CEREVEH) dont la vocation est d'assurer la dynamique et

la gestion administrative du rseau l'issue du projet.

Le fonctionnement de ce rseau comprend donc un aspect li aux besoins des industriels (simula-

tions, nouveaux lments de stockage, nouveaux projets) et un aspect scientique (nouveaux dvelop-

pements lectrochimiques, nouvelles procdures) qui seront coordonns.

Par ailleurs, la consolidation d'un rseau national associant des comptences et une indpendance

scientique dans le domaine du stockage d'nergie pour les transports devrait placer la France en

position forte dans la perspective de cration d'une plateforme de recherche europenne fdrant des

initiatives dans le domaine des tests de abilit et de leur mthodologie.

3.3.3 Attentes conomiques lies au projet

Les acteurs conomiques du march de l'automobile sont confronts une trs forte demande de

rduction de la consommation dans un contexte de svrisation des normes (pollution, bruit, scurit)

et de trs forte concurrence imposant des niveaux de prestation levs (scurit, confort, communica-

tions). Des solutions avec motorisation hybride sont actuellement commercialises mais il subsiste des

doutes quant la longvit du stockage d'nergie et au prix que l'on pourra atteindre en grande srie ;

ce qui conduit les industriels privilgier des solutions minimalistes. Le projet propos a pour but de

permettre aux industriels et aux laboratoires de disposer d'outils d'valuation, de comprhension et de

prdiction du comportement des systmes de stockage nergie embarque. La diusion des modules

de simulation des systmes de stockage par un industriel spcialis, acteur reconnu de la modlisation

systme, qui intervient dj dans le domaine de la simulation des motorisations innovantes, leur as-

sure une prennit. Celle-ci permet de considrer ce programme comme un jalon important dans les

recherches sur la mise au point des vhicules du futur trs faible consommation d'nergie.

Chapitre 4

Activits d'encadrement

4.1 Thse de Pascal LY : Juin 2003

La thse de Pascal Ly s'inscrit dans le cadre du programme de recherches communes avec VALEO.

Son travail a consist rechercher des lois de commande optimales pour un alterno-dmarreur asyn-

chrone. L'objectif visait tablir direntes lois de pilotage envisageables, d'en retenir celles prsentant

le moindre cot d'industrialisation et qui rpondent le mieux aux contraintes de mise en oeuvre, avec le

souci de maximiser les performances. Pour l'tablissement de ces lois de contrle, l'identication d'un

modle de machine a, dans un premier temps, t ncessaire. L'une des originalits de cette thse est

fonde sur la prise en compte dans les lois de contrle, de la saturation magntique.

La mthodologie dveloppe au cours de la thse permet d'utiliser le modle de machine an de

rechercher l'espace de fonctionnement optimal de celle-ci, c'est dire le couple ou la puissance en

fonction de la vitesse en mode moteur et gnrateur. Il permet, en fonction des objectifs atteindre

dans chacun de ces deux modes, d'identier le meilleur mode d'alimentation et de rglage optimal des

grandeurs de commande (tensions et frquence de glissement) en rgime stationnaire. Ainsi, le mode

d'alimentation sinusodal est privilgi, mais le fonctionnement en surmodulation est aussi envisag

forte vitesse, pour imposer le ux optimal lorsque la limitation en tension du rseau de bord est at-

teinte. La surmodulation a permis d'imposer des tensions statoriques de rfrence au-del de la tension

d'alimentation xe 42 Volts en mode gnrateur. Ce fonctionnement au-del de la limitation de ten-

sion provoque un crtage des tensions aux bornes des enroulements de la machine. Cela engendre des

harmoniques de tensions eux mmes l'origine d'harmoniques de courant. Cependant, les harmoniques

de courants restent trs limits en amplitude. Ce mode de fonctionnement permet donc d'augmenter

les fondamentaux en s'aranchissant des eets harmoniques. On augmente ainsi la puissance dvelop-

pe tout en limitant les pertes par eet Joule ce qui garantit la conservation, voire l'augmentation du

rendement.

Cette tude a contribu la mise en oeuvre d'un dmonstrateur en partenariat avec RENAULT

et VALEO pour l'intgration d'un ADI asynchrone sur une TWINGO. Celui-ci a t le premier d-

monstrateur d'alterno-dmarreur sur vhicule et a ainsi permis de montrer la capacit du systme

rpondre au cahier des charges.

4.2 Thse de Emmanuel KUHN : septembre 2004

La thse commence en dcembre 2001 s'appuie sur la collaboration de deux Laboratoires distincts.

D'une part le Laboratoire d'Electromcanique de Compigne o les travaux de thse ont t eectus,

27

CHAPITRE 4. ACTIVITS D'ENCADREMENT 28

et d'autre part le Laboratoire de Ractivit de Chimie des Solides d'Amiens. Ce partenariat de deux

Laboratoires aux comptences et moyens exprimentaux complmentaires s'inscrit dans le cadre du

ple de recherche rgional dnomm DIagnostic des Vhicules Avancs (DIVA).

L'objectif de la thse rside dans l'optimisation du couplage entre les dirents lments d'une

architecture hybride parallle. Ce genre d'architecture est constitu d'une batterie de forte capacit,

d'un convertisseur de puissance et d'une machine lectrique assurant l'assistance du moteur thermique.

Dans le cadre de nos travaux, nous avons considr un accumulateur NiMH 42V 13.5Ah, un hacheur

rversible quatre quadrants et une machine lectrique d'une puissance de 7kW.

An de mener bien l'optimisation des dirents lments prcits nous devons disposer d'un mo-

dle d'accumulateur la fois prcis et simple mettre en oeuvre. Le point de dpart de la modlisation

du pack NiMH 42V fut d'tablir une bibliographie pousse visant identier les dirents phnomnes

lectrochimiques prsents au sein de ce dernier. Grce ces recherches nous avons pu dnir un premier

modle constantes localises. Ce modle associe aux phnomnes lectrochimiques prsents chaque

lectrode un quivalent lectrique donn. Les dicults d'identication de cette premire structure,

nous ont ammen considrer les phnomnes d'un point de vue plus global et dnir une deuxime

structure quivalente.

Cette deuxime structure lectrique dcouple intgralement chaque phnomne chimique et caract-

rise notamment les phnomnes de diusion par un modle d'ordre non entier. Ce modle " dynamique

" approche de faon trs correcte le comportement de l'accumulateur en rgimes transitoires cependant

il pose deux problmes majeurs tour tour rsolus.

D'une part la structure drives non entires ne permet qu'une estimation hors ligne du com-

portement de l'accumulateur. Pour surmonter cette dicult nous utilisons une transformation

mathmatique appele ralisations diusives, permettant d'implanter le modle sur calculateur

embarqu.

D'autre part le modle d'ordre non entier ne permet pas de reprsenter les pertes de l'accumu-

lateur. Cette nouvelle dicult a t leve en approximant les phnomnes de diusion non plus

par une structure drives non entires mais par un rseau rduit de cellules RC. Grce cette

troncature, nous obtenons un nouveau modle dit nergtique permettant d'une part d'eectuer

des simulations numriques en temps rel et d'autre part de reprsenter les pertes de l'accumu-

lateur.

Nous avons utiliss dans la suite de l'tude le modle dit nergtique pour optimiser le couplage

entre les dirents lments de la chane de traction hybride parallle. L'optimisation propose consiste

dvelopper une loi de commande pour vhicule de type mild hybrid (hybridation douce) garantissant

l'accumulateur un bilan nergtique nul la n d'un cycle de conduite quelconque. L'apport de cette

loi rside dans son approche du problme. En eet contrairement aux mthodes classiques focalises

sur l'optimisation d'un cycle de conduite ou d'un lment particulier de la chane de traction, nous

prenons en compte globalement le systme et dveloppons une loi indpendante des cycles de conduite.

Les perspectives de cette recherche sont nombreuses : D'une part la portabilit des modles d-

velopps permet l'optimisation globale du fonctionnement d'une chane de traction hybride. D'autre

part, l'tat de sant de l'accumulateur peut tre caractris par un ou plusieurs paramtres, ce qui

rend possible le dveloppement d'un prdicteur temps rel de l'tat de sant de l'accumulateur.

Dans cette perspective, ce travail se poursuit au travers du PREDIT SIMSTOCK pour la caract-

risation et la modlisation du vieillissement des systmes de stockages lectriques et au travers d'une

nouvelle thse soutenue par la Rgion Picardie (Ple DIVA 2006-2009) pour le dveloppement d'un

systme de gestion de batterie BMS (Battery Management System).

CHAPITRE 4. ACTIVITS D'ENCADREMENT 29

4.3 DEA de Hicham ABBAS : juin 2005

L'objectif du stage de master recherche (DEA) de Hicham ABBAS consistait contribuer la

prparation du Predit SIMSTOCK ainsi qu'au ple DIVA 2006-2009. Cette contribution s'est es-

sentiellement porte sur une recherche bibliographique an de recenser les principales mthodes de

diagnostique d'tat de charge et de sant de batteries. tant donn les liens entre tat de sant et tat

de charge, et compte tenu de la dure du stage, les cadres de cette tude ont t limits au diagnostique

de l'tat de charge. L'objectif nal de cette tude consistait l'implantation temps rel sur DSP d'une

mthode d'identication de l'tat de charge. An de la rendre robuste, un observateur de Kalman a t

prconis. Le principe retenu est le suivant : en fonction de sollicitations en courant, la tension batterie

est mesure puis compare avec une estimation issue d'un modle interne l'observateur. L'erreur

rsultante de cette comparaison est utilise pour radapter un voire plusieurs paramtres cls. Une fois

l'adaptation eectue, les paramtres cls sont utiliss pour valuer l'tat de charge l'aide d'une table

de rfrence.

Cette tude a permis d'valuer l'importance du choix du modle de batterie utilis dans l'ob-

servateur pour une identication en ligne de l'tat de charge, et par extension l'tat de sant d'un

accumulateur.

4.4 Thse de Dinh Vinh DO : 2006 - 2009

La thse de Dinh Vinh DO s'inscrit dans la continuit du DEA de Hicham ABBAS et est intgre

dans le cadre du programme de recherche rgional DIVA pour la priode 2006-2009. L'objectif de cette

thse est multiple. Tout d'abord elle vise complter la modlisation des batteries eectue par la

thse de Emmanuel KUHN, en incorporant notamment les paramtres temprature et vieillissement.

L'incorporation du paramtre temprature ncessite l'identication du modle thermique de la batterie

puis la dtermination de l'chauement partir de l'estimation des pertes. L'introduction du paramtre

vieillissement ncessite quant lui une tude part entire traite dans le cadre du predit SIMSTOCK.

La nalit de cette thse consiste en l'implantation de modles de batteries au sein d'observateur en

vue d'en dterminer l'tat de charge absolue ainsi que l'tat de sant. Ces deux grandeurs ne seront

correctement estimes qu' la condition d'avoir une modlisation dle la ralit. La prise en compte

de l'ensemble des phnomnes lectrochimiques et thermiques au travers de modles simples implanter

dans un calculateur temps rel est le challenge relever dans cette tude.

Listes des publications

Contribution ouvrages

Fractional and diusive representation of a 42 V NiMH battery E. Kuhn, C.Forgez, G. Friedrich.

Livre : Fractional derivatives and their applications, Ubooks, 2005, pp 423-434 ISBN 3-86608-026-3

(slectionn suite l'article IFAC 2004)

Revues internationales

Impedance observer for a Li ion battery using Kalman lter, D. V. Do, C. Forgez, K. El Kadri Ben-

kara, G. Friedrich, IEEE Trans on Vehicular Technology on Vehicular Energy Storage System (soumis)

Thermal modeling of a cylindrical LiFePO4/graphite lithium-ion battery, C. Forgez, D V Do, G

Friedrich, C Delacourt, M Morcrette, Journal of Power Sources, (soumis)

Resistances estimation with an extended Kalman lter in the objective of real time thermal mo-

nitoring of the induction machine, E. Foulon, C. Forgez, L. Loron, IEE Electric Power Applications,

July 2007, Volume 1, Issue 4 , p. 549-556.

Modeling NiMH battery using Cauer and Foster structures E. Kuhn, C.Forgez, P. Lagonotte, G.

Friedrich, Journal of Power Sources, 158 (2006), pp 1490-1497

Commande optimale d'un alterno dmarreur intgr asynchone A. Konieczka, C.Forgez, J.P. Vilain,

J.M. Biedinger, P. Ly, C. Plasse, RIGE, Vol 8,n3-4, 2005, pp 483-508

Modelling diusive phenomena using non integer derivatives : Application NiMH batteries E. Kuhn,

C.Forgez, G. Friedrich, European Physical Journal Applied Physics, vol 25, n3, 2004

Modle de batterie NiMH pour vhicule hybride parallle : validation en grands signaux E. Kuhn,

C.Forgez, G. Friedrich, RIGE, vol7 n3-4,2004, pp 351-365

Formalism to design a neural control : Application to an electrical machine drive coupled to a non

linear mechanical load torque, C. Forgez, B. Lemaire Semail, J.P. Hautier, European Physical Journal

III, Novembre 2000, p133

Rseaux de neurones appliqus la modlisation de systmes lectrotechnique', C. Forgez, B. Le-

maire Semail, J.P. Hautier, Revue Internationale de Gnie Electrique, vol 2 n3/1999 pp 305 - 334.

30

CHAPITRE 4. ACTIVITS D'ENCADREMENT 31

Congrs internationaux

A temperature supervision of an integrated starter generator, C. Forgez, E. Foulon, L. Loron, S.

Ly, C. Plasse, IEEE IAS Tampa Floride, Octobre 2006

Comparison between two NiMH battery models E. Kuhn, C.Forgez, G. Friedrich, P. Macret, EVS21

(Electric Vehicle Symposium), Monaco 4-6 april 2005

Fractional and diusive representation of a 42 V NiMH battery E. Kuhn, C.Forgez, G. Friedrich,

IFAC, Fractional dierentiation and its applications, Bordeaux 19-21 july 2004

Application of a 42 V NiMH battery model to design a control law for a mild hybrid vehicle E.

Kuhn, C.Forgez, G. Friedrich, IEEE, Vehicular Power and Propulsion, Paris, 5-6 oct 2004

Optimal control of an integrated induction starter generator P. Ly, C. Plasse, C.Forgez, A. Ko-

nieczka, J.P. Vilain, J.M. Biedinger, IEEE, Vehicular Power and Propulsion, Paris, 5-6 oct 2004

Electric equivalent circuit of a NiMH cell : Methods and results E. Kuhn, C.Forgez, G. Friedrich,

EVS20 2003 (Electric Vehicle Symposium), Los Angeles

An extended Kalman lter and an appropriate model for the real time estimation of the induction

motor variables and parameters', I. Zein, L. Loron, C. Forgez, IASTED International Conference on

Measurement and Control MECO 2001, 16-18 May 2001, Pittsburg, USA.

Method to nd the hybridization rate for a parallel hybrid electrical vehicle' C. Forgez, G. Friedrich,

J.M Biedinger : Electrical Vehicle Symposium (EVS 17), Montral Canada, octobre 2000

Neural modelling and control of an electromagnetic system : consideration of non linear eects, C.

Forgez, B. Lemaire Semail : ELECTRIMACS 99, 14-16 sep 1999 Lisboa (Portugal)

Comparison between neural compensation and internal model control for induction machine drive,

I. Stefan, C. Forgez, B. Lemaire Semail, J.P. Hautier : ICEM 4-6 sep 1998, Istanbul (Turquie), vol 2,

pp 1330-1334

Adaptive speed control of an AC machine coupled to a non linear load torque using neural network,

C. Forgez, B. Lemaire Semail, J.P. Hautier : ICEM 4-6 sep 1998, Istanbul (Turquie), vol 1,pp 608-613

Induction machine control with neural network to consider non linear loads, C. Forgez, B. Lemaire

Semail, J.P. Hautier : ELECTRIMACS 17-19 sep 1996, St Nazaire, vol 2, pp 375-380

Congrs nationaux

Observateur d'tat de charge de batterie NiMH, D. V. Do, C. Forgez, G. Friedrich, EF 2007, 6-7

septembre 2007, Toulouse

Modle de batterie NiMH adapte au gnie lectrique : description et validation exprimentale. E.

Kuhn, C.Forgez, G. Friedrich EF2003, Gif sur Yvette

CHAPITRE 4. ACTIVITS D'ENCADREMENT 32

Commande d'un alterno-dmarreur intgr : prise en compte de la saturation P. Ly, C. Plasse, C.

Forgez, J.P. Vilain EF2003, Gif sur Yvette

Modlisation d'accumulateurs NiMH en vue d'une application pour vhicule hybride lectrique E.

Kuhn, C.Forgez, G. Friedrich EF 2002

Modlisation d'accumulateurs NiMH en vue d'une application pour vhicule hybride lectrique E.

Kuhn, C.Forgez, G. Friedrich Colloque GEVIQ 2002, Marseille

Systme ou de supervision des modes de fonctionnement d'un vhicule hybride lectrique parallle,

Colloque GEVIQ'2000, Marseille, 21-22 mars 2000, C. Forgez, G. Friedrich, J.M. Biedinger

Troisime partie

Les travaux

33

Chapitre 5

Modlisation par rseaux de neurones

Les travaux prsents dans ce chapitre sont une synthse de mes travaux de thse de doctorat.

Ils s'inscrivent dans le cadre de mes travaux sur la modlisation de systmes partir de mesures

exprimentales.

5.1 Les rseaux neuronaux

5.1.1 Un peu d'histoire

An de situer mes travaux sur les rseaux de neurones eectus pendant mon doctorant, il convient

de retracer brivement la chronologie des recherches dans ce domaine. Comme on peut le voir sur la

chronologie (Fig. 5.1), bien que l'origine des sciences cognitives remonte au milieu du XXime sicle,

les progrs dans ces sciences n'ont rellement t notables qu' la n des annes 1980, ce qui en fait

une science relativement jeune.

Fig. 5.1 Chronologie des recherches sur les rseaux neuronaux

En 1943 les neurobiologistes Warren McCulloch et le mathmaticien Walter Pitts furent les pre-

miers proposer un modle mathmatique capable de "reproduire" le fonctionnement d'un neurone

biologique [McCulloch and Pitts, 1943]. Il faut cependant attendre 1957 pour voir apparatre le

34

CHAPITRE 5. MODLISATION PAR RSEAUX DE NEURONES 35

premier rseau neuronal introduit par Franck Rosenblatt : le Perceptron [Rosenblatt, 1958]. Un mo-

dle de Perceptron plusieurs couches a t propos ds 1960 mais jug trop compliqu l'poque

faute d'un algorithme d'apprentissage adapt. En 1969, Marvin Lee Minsky mis en vidence des li-

mitations dans l'apprentissage du Perceptron ce qui retarda les progrs dans le domaine des sciences

cognitives pour une dcennie [Minsky and Papert, 1969]. En 1974, Werbos introduisit l'algorithme

d'apprentissage par rtropropagation (backpropagation) [Werbos, 1974] qui ne ft gnralis qu'en

1986 par David E Rumelhart et James L. McLelland [Rumelhart et al., 1986]. Entre temps, les ef-

forts se sont ports sur les architectures des rseaux notamment avec les rseaux rcurrents proposs

par John Hopeld [Hopfield, 1982] ou les cartes auto adaptatrices (self organizing map) de Teuvo

Kohonen [Kohonen, 1982]. L'intrt des rseaux de Hopeld rside dans l'approche de systmes dy-

namiques non linaires dont on ne connat pas les lois. Les structures de Kohonen sont quant elles

plus ddies aux applications de classication. Cette dernire structure est actuellement l'une des plus

utilise car elle est capable de traiter la majorit des problmes de classication, d'aide la dcision,

de traitement d'image ou d'optimisation. La conception de cette structure est relativement intuitive,

elle l'est d'autant plus lorsqu'elle est associe des fonctions base radiale (Radial Basis Functions

RBF [Broomhead and Lowe, 1988]) ou hybride de la logique ou, concept fond en 1965 par

Lot Zadeh [Zadeh, 1965].

A partir de la n des annes 80, cette science cognitive s'est diversie tant au niveau des appli-

cations, que du dveloppement de la technologie lectronique ddie, ainsi que dans l'mergence de

nouvelles disciplines associes (les Meta Heuristiques). La liste des applications est trop longue pour

tre cite dans ce prambule, on peut cependant faire loge de l'utilisation des rseaux neuronaux pour

la reconnaissance de caractres manuscripts, ce qui en fait une application emblmatique pour le tri

postal ou l'enregistrement de chque de banque. L'intgration de rseaux neuronaux au sein de circuits

lectronique ddis, a dbut galement vers 1988, on peut citer deux des plus anciens brevets amri-

cains dans ce domaine [Denker et al., 1988][Marks and Robert, 1989]. Bien que des circuits lec-

troniques ddis apparaissent sur le march, les FPGA reprsentent la manire la plus souple et la plus

ecace pour implanter un rseau de neurones [Aykanat et al., 1998][Torres-Huitzil et al., 2005].

A ces dveloppements, nous pouvons adosser l'mergence de techniques gnriques de rsolution de

problmes combinatoires, regroupes sous le nom de mtaheuristiques. Ces mthodes ont t proposes

pour traiter des problmes de trs grande complexit. Elles sont issues galement de la modlisation

de processus naturels (recuit simul, algorithmes gntiques, ...) [Osman and Kelly, 1996].

Mes travaux de recherche se sont inspirs des rseaux de Kohonen et des fonctions base radiales. En

revanche, pour la mthode d'apprentissage, nous avons mis au point une mthode dite par initialisation

qui sera dveloppe dans les paragraphes qui suivent.

5.1.2 Le neurone

Un neurone (Fig. 5.2) est un processeur mathmatique qui transforme la somme (ou le produit)

de donnes d'entre pondres, par le biais d'une fonction d'activation linaire ou non linaire. Leneurone est donc capable de restituer sa propre fonction pondre par les poids et les biais synaptiques.

Les rseaux neuronaux sont des constructions en couche de neurones connects entre eux par des

coecients que nous appelons des poids . Le poids wkij relie le iimeneurone de la couche k 1 au jimeneurone de la couche k. Le biais bki dcale l'activation du i

imeneurone de la couche k.L'expression de la sortie du iime neurone de la couche k vaut :

Ohki = ki (

qj=1

Ohk1j wkij + b

ki ) (5.1)

CHAPITRE 5. MODLISATION PAR RSEAUX DE NEURONES 36

Fig. 5.2 Description fonctionnelle d'un neurone

5.1.3 Les rseaux de neurones

La connection des neurones en rseau, c'est--dire de connection entre couches de neurones, permet

la mise en srie des fonctions d'activation. Les poids et les biais sont alors autant de degrs de libert

ajuster qui permettent d'approcher n'importe quelle fonction de l'espace des variables d'entre sur

lequel le rseau de neurones est connect. Le rseau de neurones fonctionne comme un approximateur

universel qui mmorise au sein de ses couches, au travers de ses poids et ses biais, la fonction qu'il

approche. Les fonctions ainsi approches sont des applications d'un ensemble de variables d'entre vers

un espace de variables de sortie. Ces fonctions sont donc a priori indpendantes du temps. Cependant

il est possible de faire apparatre des rcurrences temporelles en bouclant les sorties sur les entres. On

parle alors de rseau boucl extrieurement ou partiellement boucl. Il existe une troisime catgorie de

rseau qu'on appelle rseau compltement boucl et qui font apparatre des rcurrences entre couche et

au sein mme d'une couche [Hopfield, 1982]. Ces rseaux permettent thoriquement l'approximation

de fonctions non linaires temporelles trs complexes dont on "ignore les lois" qui les rgissent.

Fig. 5.3 Rseau de neurones (non boucl) une couche cache

5.2 Mthode d'apprentissage

L'identication neuronale consiste trouver la meilleure combinaison de valeurs pour les poids et

les biais an de minimiser la somme des carts quadratiques entre les valeurs relles de la fonction et les

CHAPITRE 5. MODLISATION PAR RSEAUX DE NEURONES 37

valeurs approches. Les principales mthodes d'apprentissage sont bases soit sur un ajustement itratif

des poids rtropropags au travers des couches successives [Patterson, 1996][Rumelhart et al., 1986],

soit sur une exploration slective sur l'ensemble des solutions envisageables (algorithme gntique). Ces

mthodes convergent vers une solution optimale relative au nombre de neurones, de couche de neurones

et des fonctions d'activation utilises.

Historiquement, les fonctions d'activation usuelles implantes dans les neurones sont des fonctions

seuils ou des fonctions sigmodes, respectivement pour les approches discontinues et continues. Ces

fonctions ont le principal dfaut de crer des minima locaux au sein de la fonction erreur au cours du

processus d'apprentissage, ce qui diminue par consquent la possibilit d'atteindre la solution optimale.

Pour rsoudre ce problme, il est prfrable d'activer les neurones avec des fonctions orthogonales

[Franois, 1996].

La majorit des travaux sur les rseaux de neurones sont consacrs la gnralisation des structures

et des mthodes d'apprentissage. Les structures qui en dcoulent sont certes capables d'apprhender

n'importe quel type de problme mais sont gnralement gourmandes en ressources et encore peu

adaptes aux systmes embarqus bas cot. Lors de ma thse de doctorat, une partie de mes travaux

a t consacre la structuration de rseau partir de la connaissance a priori des caractristiques

approcher. L'intrt port cette structuration tait double : une facilit d'apprentissage et une

ncessit de limiter les ressources. On tire ainsi avantage de la fonction approcher pour choisir la

nature (continue ou discontinue) des fonctions d'activation en adquation avec la nature de la relation

approcher. Par consquent, plus la structure mathmatique du rseau neuronal sera proche de la

relation approcher, plus la phase d'apprentissage sera facilite et le rsultat optimal.

Une fois les fonctions d'activation choisies, nous devons trouver une combinaison optimale des poids.

An d'acclrer les processus d'apprentissage, nous avons vit d'employer les mthodes itratives

classiques d'apprentissage. Nous avons montr, que pour des relations relativement simples modliser,

il est possible de dnir une structure de rseau une seule couche cache dont les poids et biais d'entre

peuvent tre initialiss et dont les poids de sortie sont dtermins par rsolution de l'quation qui dcrit

la couche de sortie.

5.2.1 Initialisation des poids et biais d'entre

L'initialisation des poids et biais de la couche d'entre consiste rpartir les domaines d'action

des neurones de manire homogne sur l'espace des variables d'entre. Cette mthode se conoit ai-

sment par l'illustration de la gure 5.4. Cette gure illustre la rpartition de 7 neurones fonction

d'activation gaussienne sur un domaine d'entre [-10,10]. Le nombre de neurones tant x, on rpartit

les gaussiennes en modiant le biais de chacun des neurones : le biais reprsente alors le centre de la

gaussienne. Les poids de la couche d'entre servent quant eux pondrer l'cart type de chacune

des gaussiennes et restreindre ainsi plus ou moins l'action de chaque neurone sur une parcelle de

l'espace des variables d'entre. On se rapproche ainsi du concept de fonctions d'appartenance tel qu'il

est utilis en logique oue [Zadeh, 1965].

Ce principe illustr sur une dimension, peut tre tendu un espace plusieurs dimensions. La

gure 5.5 reprsente un "chantillonnage" d'un espace 2 variables d'entres au moyen de 16 neurones.

La structure permettant un tel chantillonnage pourrait tre eectue partir d'un rseau prsent

gure 5.6.

Plus le nombre de neurones sera important, plus on pourra agir sur de petites parcelles, et meilleure

sera l'apprentissage de la fonction approcher. En poussant le raisonnement l'extrme, utiliser un

rseau avec un nombre inni de neurones fonction d'activation gaussienne et d'cart type inniment

petit, reviendrait chantillonner l'espace de travail avec un peigne de Dirac multi dimensionnel. Dans

ce cas chaque Dirac ne couvrirait qu'un seul point de l'espace, alors les poids de sortie du rseau

CHAPITRE 5. MODLISATION PAR RSEAUX DE NEURONES 38

Fig. 5.4 Rpartition en domaines d'actions au moyen de fonctions gaussiennes

Fig. 5.5 Echantillonnage d'un espace 2D au moyen de gaussiennes

correspondrait aux valeurs de la fonction aux points chantillonns par le peigne de Dirac. L'utilisation

d'une innit de neurones n'est pas ralisable, leur nombre doit tre limit en trouvant un compromis

entre performance d'apprentissage et temps de calcul, ce dernier est d'autant plus important dans le

cadre d'une application embarque.

5.2.2 Dtermination des poids de sortie

Une fois les poids et biais d'entre initialiss, l'quation du rseau neuronal fait apparatre un sys-

tme d'quation pondr par la matrice des poids de sortie. Celle ci peut tre dtermine simplement

par rsolution de l'quation de sortie [Franois, 1996][Forgez, 1998]. Considrons un rseau com-

prenant q entres et m sorties (Fig. 5.6 ) une seule couche cache de p neurones, o l'on note Ohle vecteur de la sortie de la couche cache, W2 la matrice des poids de sortie, O le vecteur sortie durseau neuronal et T le vecteur de sortie approcher (donnes de la relation relle). Les matrices despoids W1 et biais B1 sont iniialiss avec les relations prcdentes.La relation ci dessous denote l'expression matrici