Modélisation analyse et commande des systèmes physiques_Document_complet_vf2.pdf

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  • Universit de Rennes 1

    HABILITATION A DIRIGER DES RECHERCHES

    prsente par

    Herv CORMERAIS

    Modlisation, analyse et commande des systmes physiques commutations bases sur

    une approche nergtique

    le 23 novembre 2007.

    COMPOSITION DE LA COMMISSION DEXAMEN

    Prsident : Mr Jean-Jacques FUCHS Rapporteurs : Mme Genevive DAUPHIN-TANGUY Mr Arjan VAN DER SCHAFT Mr Bernhard MASCHKE Examinateurs : Mr Olivier BONNAUD Mr Claude IUNG Mr Herv GUEGUEN

    Laboratoire : Automatique des Systmes Hybrides de SUPELEC (groupe Automatique & Communication de lIETR UMR CNRS 6164)

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  • Habilitation Diriger des Recherches

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    Table des Matires

    Introduction 5

    Partie 1 : Parcours et Activits Professionnels 7

    Chapitre 1 : Curriculum Vitae 9

    1. Prsentation du candidat 9 2. Formation 9 3. Evolution professionnelle 9 4. Activits de recherche 9 5. Activits denseignement 10

    Chapitre 2 : Prsentation Dtaille Parcours et Activits Professionnels 11

    1. Curriculum Vitae 11 2. Activits de recherche 12 3. Activits denseignement 21

    Partie 2 : Bilan des Activits de Recherche 25

    Chapitre 1 : Modlisation des Systmes Physiques Commutations bases sur une Approche Energtique 27

    1. Introduction 27 2. Modlisation de la partie continue 28 3. Les cellules de commutation 36 4. Dtermination de lautomate hybride dun systme commutations 45 5. Conclusion 52

    Chapitre 2 : Analyse des Systmes Physiques Commutations laide du Formalisme Bond Graph 55

    1. Introduction 55 2. Quelques considrations sur la stabilit des systmes hybrides 56 3. Etude de la stabilit structurelle des systmes physiques commutations 59

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    Chapitre 3 : Synthse de Commandes pour les Systmes Physiques Commutations 69

    1. Gnralits sur la commande des systmes commutations 69 2. La commande par mode glissant directe 73 3. La commande par passivation 77 4. Conclusion 82

    Chapitre 4 : Cas du convertisseur multiniveaux srie n cellules 85

    1. Introduction 85 2. Description du systme 85 3. Dtermination de lquation dtat gnrique 86 4. Dtermination de la commande par passivation 91 5. Application au convertisseur srie 3 cellules 93 6. Conclusion 99

    Chapitre 5 : Perspectives Nouveaux Axes de Recherche 101

    Bibliographie 105

  • Habilitation Diriger des Recherches

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    Introduction

    Embauch SUPELEC le 1er septembre 1993 en tant quingnieur-enseignant au service automatique du campus de Rennes dirig par Yves QUENECHDU, mes deux premires annes furent essentiellement consacres des activits denseignement comme cela tait alors de rigueur. Encadrant de nombreux travaux de laboratoire (TL) et projets dans le cadre de loption de troisime anne CPI (Conduite de Processus Industriels), cest durant cette priode que jai dcouvert les systmes hybrides et leur problmatique ainsi que le formalisme bond graph. Crateur dun groupe de travail sur les SDH, regroupant des automaticiens issus du continu et de la communaut des Systmes Evnements Discrets (SED), Yves QUENECHDU ainsi que Jean BUISSON et Herv GUEGUEN ont su au sein du Service automatique du Campus de Rennes de SUPELEC dvelopper ce nouvel axe de recherche.

    Dbutant une thse en 1996, mes travaux sorientrent vers la modlisation des systmes dynamiques hybrides sappuyant sur le formalisme bond graph. Base sur une reprsentation idale des lments commutant et utilisant les proprits nergtiques des systmes physiques, lobjectif fut de dvelopper une mthode gnrique de modlisation de la partie continue de ces systmes dans le cadre dune approche multimodle. Visant comme domaine dapplication privilgie llectronique de puissance, ce travail de recherche fut motiv par un contrat avec Schneider-Electric sur la mise en uvre dune mthode de modlisation/simulation sous MATLAB-SIMULINK des systmes commutations avec comme objectif ltude du dmarrage dune machine asynchrone.

    En cette mme anne 1996, une premire rorganisation des activits de recherche du campus de Rennes de SUPELEC aboutit la cration dEquipes de Recherche en lieu et place des services. Intgr lEquipe ASCH (Automatique des Systmes Continus et Hybrides) dirige par Jean BUISSON, je poursuivis mes activits autour des systmes physiques commutations et soutins ma thse en 1998. En 2000, une seconde rorganisation conduisit la cration de lquipe ASH (Automatique des Systmes Hybrides) rsultant de la fusion de lquipe ASCH avec lquipe SED (Systmes Evnements discrets) dirige par Herv GUEGUEN. Cet vnement marqua le rapprochement entre des personnes de sensibilits diffrentes, certaines initialement plus proches des aspects continus et dautres issues de la communaut discrte. Mais laxe commun clairement affich de cette quipe fut et reste ce jour les systmes dynamiques hybrides. Lquipe ASH est aujourdhui dirige par Herv GUEGUEN qui succda Jean BUISSON en 2005.

    Outre des recherches portant sur la modlisation complte des systmes commutations prenant en compte les aspects continus et vnementiels, mes travaux se sont

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    essentiellement orients vers des problmes danalyse et de commande travers entre autres le co-encadrement de trois thses. Du point de vue de lanalyse, les recherches entreprises dans ce domaine se sont focalises sur deux thmes : la caractrisation du comportement des systmes physiques commutations et ltude de la stabilit. Concernant la partie commande, mes recherches se sont orientes vers la commande par mode glissant directement boolenne et la commande par passivation qui utilise quant elle la notion de modle moyen. Le point commun ces deux approches tant quelles sont bases sur des considrations nergtiques.

    Le document qui suit comprend deux parties. La premire est consacre une prsentation dtaille de mon cursus faisant ainsi le bilan de mes activits de recherche et de mes charges denseignement. Quant la partie 2, elle se focalise sur les travaux que jai effectus dans le domaine de la modlisation, lanalyse et la commande des systmes physiques commutations. Engag depuis 1996 dans cette thmatique, cette partie retrace donc lvolution de cette recherche et se termine par un tour dhorizon des perspectives et futurs axes de travail envisags.

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    PARTIE 1

    Parcours et Activits Professionnels

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    CHAPITRE 1

    Curriculum Vitae

    1. Prsentation du Candidat Nom : CORMERAIS Prnom : Herv Date de naissance 18 mai 1969 Fonction : Professeur Adjoint SUPELEC Etablissement : SUPELEC Campus de Rennes Equipe : Automatique des Systmes Hybrides de SUPELEC (groupe

    Automatique & Communication de lIETR UMR CNRS 6164)

    2. Formation 1987 Baccalaurat Srie C 1987-1989 Diplme dEtudes Universitaires Gnrales lUniversit de Rennes 1

    spcialit Mathmatiques-Physique 1989-1992 Elve SUPELEC. Ingnieur SUPELEC en juin 1992 1992-1993 Diplme dEtude Approfondie de Physique Thorique lEcole Normale

    Suprieure de Paris 1996-1998 Thse de Doctorat lUniversit de Rennes 1, mention traitement du signal

    et communication, soutenue le 27 novembre 1998

    3. Evolution Professionnelle Du 01/09/1993 au 31/08/1996 Ingnieur-Enseignant 2nd Classe SUPELEC Du 01/09/1996 au 31/12/1998 Ingnieur-Enseignant 1re Classe SUPELEC Du 01/01/1999 au 31/12/2003 Chef de Travaux 2nd Classe SUPELEC Depuis le 01/01/2004 Professeur Adjoint SUPELEC

    4. Activits de Recherche Mes activits de recherche ont pour cadre la modlisation, lanalyse et la commande des systmes physiques commutations. 1 rdaction de chapitre dans un ouvrage collectif 7 publications dans des revues internationales avec comit de lecture + 1 en cours. 29 publications dans des congrs internationaux avec comit de lecture et proceedings. 6 cooprations industrielles en modlisation-commande des systmes complexes.

    (PSA (1), Renault (1), Schneider Electric (2), Sogitec (1), Thomson (1))

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    4 co-encadrements de thses commences respectivement en 2001, 2003, 2005 et 2006. (1 soutenue en 2004, une autre soutenir en 2007)

    Participation un jury de thse 5 encadrements de stages Activits nationales -Participation lAS 192, 2003-2004 : Systmes Dynamiques Hybrides et

    Convertisseurs Statiques -Depuis 2005, Participation au Groupe de Travail sur les Systmes Dynamiques

    Hybrides (GdR MACS, SEE, Club EEA) Activits internationales Depuis septembre 2004, Membre du Rseau Europen dExcellence HyCon (Hybrid

    Control - IST 511368)

    5. Activits dEnseignement Premire et Deuxime anne SUPELEC Cours magistral (18h/an) Physique Quantique (18h/an) responsabilit du cours depuis 2002 Travaux Dirigs (54h/an) Physique (18/an) Automatique et Signal (18h/an) Electronique de Puissance (18h/an) Travaux de Laboratoire (72h/an) Automatique et Signal (45h/an) Electronique de Puissance (27h/an) Projets Encadrements de 3 4 projets chaque anne depuis 1994 dans le domaine de

    lautomatique, du signal ou de la physique. Depuis 2004, responsable des projets de conception deuxime anne

    Enseignement en troisime anne SUPELEC Certains de ces enseignements sont directement lis mes activits de recherche. Cours magistral (3h/an) Commande des Systmes Hybrides (3h/an) Travaux dirigs (9h/an) Automatique et Signal (6h/an) Informatique (3h/an) Travaux de Laboratoire (13,5h/an) Automatique et Signal (depuis 2005, 13,5 h/an) avant 2005 (45h/an) Etudes : Encadrement dune deux tudes par an depuis 1994 en relation avec le travail de

    recherche (modlisation, analyse et commande des systmes commutations)

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    CHAPITRE 2

    Prsentation dtaille Parcours et Activits Professionnels

    1. CURRICULUM VITAE

    1.1 Etat Civil

    Nom : CORMERAIS Prnom : Herv Date et lieu de naissance : N le 18 mai 1969 Sarcelles Nationalit : Franaise

    Fonction : Professeur Adjoint SUPELEC

    Etablissement : SUPELEC Campus de Rennes Avenue de la Boulaie CS 47601 35576 Cesson-Svign Cedex

    Discipline de Recherche Automatique

    Equipe : Automatique des Systmes Hybrides de SUPELEC (groupe Automatique & Communication de lIETR UMR CNRS 6164)

    1.2. Formation 1987 Baccalaurat Srie C

    1987-1989 Diplme dEtudes Universitaires Gnrales lUniversit de Rennes 1, spcialit Mathmatiques-Physique

    1989-1992 Elve SUPELEC. Ingnieur SUPELEC en juin 1992

    1992-1993 Diplme dEtude Approfondie de Physique Thorique lEcole Normale Suprieure de Paris

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    1996-1998 Thse de Doctorat lUniversit de Rennes 1 mention traitement signal et communication soutenue le 27 novembre 1998 Titre : De lapplication des bond graphs causalit variable dans la modlisation multimodle des systmes dynamiques hybrides Directeur de Thse : Yves QUENECHDU Jury : Grard FAUCON (prsident), Genevive DAUPHIN-TANGUY, Ren LEDOEUFF (rapporteurs), Yves QUENECHDU, Jean BUISSON, Michel CORRAZA. Mention : Trs honorable

    1.3. Evolution professionnelle

    Evolution professionnelle SUPELEC depuis mon embauche en septembre 1993.

    Du 01/09/1993 au 31/08/1996 Ingnieur-Enseignant 2nd Classe SUPELEC

    Du 01/09/1996 au 31/12/1998 Ingnieur-Enseignant 1re Classe SUPELEC

    Du 01/01/1999 au 31/12/2003 Chef de Travaux 2nd Classe SUPELEC

    Depuis le 01/01/2004 Professeur Adjoint SUPELEC

    2. ACTIVITES DE RECHERCHE

    Sont prsentes ici mes diffrentes activits de recherche comprenant :

    la participation la rdaction douvrages, les publications dans des revues, la participation des congrs, les relations industrielles, lencadrement de thses, les activits nationales et internationales, les encadrements de stages.

    2.1. Rdaction dOuvrages Participation la rdaction dun chapitre dans louvrage Les Bond Graphs qui fait partie de la srie SYSTEMES AUTOMATISES dirige par Claude FOULARD.

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    2000. J. Buisson, H. Cormerais, Systmes lectroniques et lectrotechniques, Les Bond Graphs, Coordination Genevive Dauphin Tanguy, Trait IC2, Hermes Sciences, Octobre 2000.

    2.2. Publications dans des revues internationales comit de lecture

    Sept publications dans des revues internationales avec comit de lecture + 1 publication en cours dacceptation (pour le Journal of the Franklin Institute).

    2007. H. Cormerais, C. Valentin, M. Zainea, M. Magos-Rivera, J. Buisson, Modlisation des Systmes Physiques Commutations par Approche Energtique: Application un Convertisseur DC-DC, Journal Europen des Systmes Automatiss, paratre, 2007.

    2006. P.Y. Richard, H. Cormerais, and J. Buisson, A generic design methodology for sliding mode control of switched systems, Journal of Nonlinear Analysis, vol. 65, pp. 1751-1772, 2006.

    2002. J. Buisson, H. Cormerais, and P.Y. Richard, Analysis of the bond graph model of hybrid physical systems with ideal switches, Journal of Systems and Control Engineering, vol. 216, pp. 47-72, 2002.

    2000. J. Buisson, H. Cormerais, and P.Y. Richard, Using Trees to Build Nonsingular Bond Graphs from Electric Circuit Graphs, Journal of the Franklin Institute. Vol 337, N 5, pp. 543-554, 2000.

    2000. Y. Lu, J. Buisson, and H. Cormerais, Implicit Representation for the Modeling of Hybrid Dynamical Systems, Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 13, n 1, pp 45-50, 2000.

    1998. J. Buisson, and H. Cormerais, Descriptor Systems for the Knowledge Modelling and Simulation of Hybrid Physical Systems, Journal Europen des systmes automatiss, Vol. 32, N 9-10, pp 1047-1072, 1998.

    1997. J. Buisson, and H. Cormerais, Modeling hybrid systems with bond-graph using an implicit formulation, The Bond Graph Digest, vol. 1, 1997.

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    2.3. Publications dans des congrs internationaux comit de lecture

    Vingt-neuf publications dans des congrs internationaux avec comit de lecture et proceedings.

    2007. A. G. Beccuti, G. Papafotiou, M. Morari, S. Almer, H. Fujioka, U. T. Jonsson, C.-Y. Kao, A. Wernrud, A. Rantzer, M. Bja, H. Cormerais, and J. Buisson, Hybrid Control Techniques Applied to the Step-up DC-DC Converter, presented at 2007 American Control Conference, July - 2007.

    2007. M. Bja, D. Patino, H. Cormerais, P. Riedinger, and J. Buisson, Hybrid control of a three-level three-cell dc-dc converter, presented at 2007...