Academic literature on the topic 'Électromécanique – Modèles mathématiques'

Les données cliniques disponibles pour le diagnostic et la planification de thérapies sont de plus en plus variées et complexes, ce qui apporte des informations plus riches, mais rend la tâche du médecin difficile. Les modèles informatiques de cœur peuvent intégrer et analyser ces données en s'adaptant à chaque patient de manière à proposer au médecin une vue intégrée ainsi que des paramètres intrinsèques. Cependant, il faut pour cela mettre en place des méthodes d'ajustement automatique de ces modèles mathématiques aux données du patient. Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie pour personnaliser un modèle électromécanique à partir de séquences temporelles d'images volumiques telles que des séquences ciné-IRM ou scanner. Cette personnalisation consiste en l'estimation de l'état (position/vitesse) et des paramètres électriques et mécaniques du modèle électromécanique. Nous nous intéressons ici à l'estimation du mouvement cardiaque et des paramètres de contractilité du modèle électromécanique. Dans un premier temps, la modélisation des différentes phases cardiaques a été améliorée et une étude de sensibilité a été effectuée. Puis, les approches de segmentation et de suivi du mouvement par modèles déformables ont été généralisées en couplant un modèle déformable proactif avec des séquences d'images 3D. Cette méthode est évaluée sur des données synthétiques et appliquée à des séquences ciné-IRM ou scanner. Enfin, une méthode d'estimation automatique des paramètres de contractilité à partir de séquences d'images 3D est proposée, la principale difficulté provenant des non-linéarités liées aux changements de phases. La méthode proposée est fondée sur l'assimilation de données variationnelle et le gradient du critère d'erreur est calculé à l'aide de la méthode de l'état adjoint. Cette méthode est évaluée sur des données synthétiques avant d'être appliquée à des ciné-IRM cliniques. Cette thèse pose des bases de la personnalisation du modèle électromécanique du cœur et ouvre des perspectives pour l'optimisation des traitements selon le patient considéré.

Les applications de type "transport de bande" sont omniprésentes dans la fabrication des produits textiles. Toutefois, la problématique commune à ces processus est simple : assurer la qualité du traitement et du rembobinage pour le produit. Dans cette optique, deux grandeurs sont capitales : la vitesse de défilement et la tension du produit. La commande d'un tel système est donc chargée de contrôler indépendamment ces deux grandeurs. Après une description de procédés textiles à base de déroulement-enroulement, c'est donc le comportement des matières élastiques en défilement qui est étudié. L'utilisation des concepts multimachines et de la répresentation énergétique macroscopique (REM), par ailleurs couramment employés pour l'étude des couplages dans les entraînements et systèmes électriques, débouche sur un modèle mathématique et sa représentation causale, pour un cas général, puis pour une application particulière : la broche de bobinoir. L'objectif poursuivi est la synthèse d'une commande rigoureuse et efficace pour cette application. Une structure maximale de commande est d'abord déduite du modèle. Le choix des correcteurs et des dynamiques associées est fait à partir de l'analyse rigoureuse des problèmes présentés par le transport de bande. Trois solutions sont proposées et testées : un placement des pôles global, un découplage des dynamiques et enfin une loi de commande fondée sur les propriétés de platitude du système. Les points faibles de cette structure de commande (pour les trois synthèses différentes) sont mis en évidence est servent de jalons vers l'élaboration d'une structure de commande plus adaptée à l'application envisagée. Cette dernière stratégie donne des résultats de simulation satisfaisants pour la qualité du découplage entre tension de fil et vitesse de bobinage. La validation expérimentale est effectuée sur un banc multimachine général et une structure d'émulateur de charge est donc proposée en vue de l'implantation. Les résultats expérimentaux montrent la faisabilité de la structure de commande innovante, ses performances en termes de respect du cahier des charges et de robustesse sont finalement mises en évidence dans différents tests.

L’objectif de cette thèse est de proposer des méthodes innovantes de conception préliminaire d’actionneurs électromécaniques (EMA) et de les implémenter sous la forme d’outils logiciels rapidement disponibles pour les industriels. Cet objectif répond à une demande forte de l’industrie, en particulier en aéronautique dans le cadre du développement d’avions plus électriques. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode hybride (montante et descendante) de recherche systématique d’architectures solutions et de sélection vis-à-vis des exigences du cahier des charges et de l’état de l’art technologique. Dans un deuxième temps, des méthodes d’évaluation d’architectures en termes de puissance, d’intégration (enveloppe géométrique et masse), de fiabilité et de performances en boucle fermée sont proposées. L’implémentation de ces méthodes se base sur la modélisation acausale et la combinaison de simulations numériques inverses et directes. Des lois d’échelle, représentatives des phénomènes physiques dimensionnants, sont établies pour réduire la complexité d’utilisation des modèles et l'intervention d’experts de domaine dans les phases préliminaires. Les méthodes proposées et leur implémentation dans l'environnement de simulation Modelica/Dymola ont été appliquées avec succès aux exemples d’actionneurs électromécaniques d’orientation d’un train avant d’atterrissage, de commandes de vol primaires et de contrôle de la poussée vectorielle du premier étage de propulsion d’un lanceur spatial. De cette façon, la durée de la phase d’évaluation d’architectures a pu passer d’un ordre de grandeur en jour à un ordre de grandeur en heure
The aim of this thesis is to propose innovative methods for the preliminary design of electromechanical actuators (EMA), and to implement them in software tools rapidly available for the industry. This objective is motivated by a strong demand of the industry, especially in aeronautics within the frame of the development of more electric aircrafts. First, this thesis puts forward a hybrid methodology (top-down/bottom-up) to generate and select systematically architectures with respect to requirements and the state of the art of technology. Second, methods to evaluate architectures in terms of power, integration (geometrical envelop and mass), reliability and closed loop performances are developed. The implementation of these methods is based on non-causal modelling combined to direct and inverse numerical simulations. Scaling laws, representative of the main sizing phenomena, are established to reduce the complexity of the models and the need for domain experts during the preliminary phases. The proposed methods and their implementation within the simulation framework Modelica/Dymola have been applied successfully to the examples of electromechanical actuators for the steering of a nose landing gear, the primary flight control of an aircraft and the thrust vector control of a space launcher. As a result, the duration of the architecture evaluation has been reduced from day-scale to hour-scale

Dans une application d’équipement automobile, la conception optimale d’un actionneur nécessite la prise en compte simultané des différents phénomènes physiques ; tant qu’en termes de performances attendues ainsi que les contraintes à respectées. Ces physiques comprennent la performance électromagnétique / électromécanique, comportement thermique et le comportement vibro-acoustique. En prenant en compte le coût et la faisabilité en matières de fabrications, la machine synchro-réluctante (Syncrel) à rotor segmenté a été démontré intéressante pour une application avec des fortes contraintes d’encombrement et thermique. Cette étude a donc pour objective d’évaluer la capacité de la machine Syncrel dans ces différents physiques et démontre les interactions entre eux, qui peuvent affecter les performances de la machine en fonctionnement. Des modèles multi-physiques ont été développés et validés en utilisant une machine prototype conçu précédemment pour un actionneur d’embrayage électrique. En se servant des modèles validés, différents critères de performances des différentes topologies de rotor de la machine Syncrel ont été aussi comparés. A l’issue de l’étude, les modèles électromagnétiques, électromécaniques, thermiques et vibro-acoustiques valides sont à nos dispositions pour être utilisés dans la conception de machine Syncrel en future. La machine Syncrel avec rotor segmenté a été démontrée capable pour être utilisé dans l'application de l'embrayage électrique étudié en particulier. Suite à des évaluations de performance en physique différente, des pistes d'améliorations ont également été proposées
In an on-board automotive environment, machines optimal design requires simultaneous consideration of numerous physical phenomena; both in terms of expected performance or in terms of constraints to be respected. The physics that can be affected includes the electromagnetic / electromechanical performance, thermal behavior and vibro-acoustic behavior. Among a large choice of machine, with the manufacturer cost and manufacturing concern taken en into account, the synchronous reluctance machine with segmented has been found to be particularly interesting for application with severe ambient temperature and encumbrance limitation. This study has therefore as objectives to evaluate the capacity of the synchronous reluctance machine in ail physics mentioned and eventually shows the interaction between these physics, thus performance alteration of the machine in operated in the automobile equipment environment. Multi-physics model were developed and confronted to experimental validations using a prototype machine that was developed for an electrical clutch. Using the validated model, different performance figures of synchronous reluctance machines with different rotor topologies were compared. Resulting from the study, valid electromagnetic, electromechanical, thermal and vibro-acoustic models are now available to be used as tools in future machine design. The synchronous reluctance with segmented rotor prototype machine has been shown to be capable to be used in the electrical clutch application studied in particular. Following performance evaluations in different physics, suggestions of improvements have also been proposed

Dans le contexte des moteurs électriques automobiles, les phénomènes vibratoires d'origine magnétique soulèvent une problématique relativement récente. L'objectif de cette thèse est la mise au point d'un modèle multi-physique pertinent d'une machine électrique afin de réaliser quelques études spécifiques, d'optimiser la machine et de prendre en compte la variabilité du comportement vibratoire. La modélisation numérique s'appuie totalement sur des formulations analytiques afin de bien maîtriser les différentes physiques. Des mesures expérimentales sur la machine permettent une confrontation avec le modèle numérique multi-physique et une validation des choix de modélisation. Dans ce contexte de modélisation multi-physique, un outil de couplage est développé entre les modèles 2D électromagnétique et 3D mécanique afin d'évaluer les comportements vibratoires d'origine électromagnétique de la machine. Une attention particulière a été portée à la prise en compte des forces magnétiques radiales et surtout tangentielles sur le stator de la machine électrique. Une méthode d'optimisation, basée sur le principe d'une surface de réponse dynamique, est appliquée sur le modèle électromagnétique afin d'améliorer des paramètres de conception de la machine. Les incertitudes liées à la conception sont souvent nombreuses, notamment dans le domaine vibratoire. A cet effet, la méthode MSP (Modal Stability Procedure) prenant en compte la variabilité des paramètres matériaux est proposée. La formulation MSP pour l'élément 3D hexaédrique est développée et appliquée au stator électrique afin d'évaluer la variabilité des fréquences propres et des fonctions de réponse en fréquence
In the context of automotive electric motors, vibratory phenomena of magnetic origin arise relatively recent problems. the aim of this thesis is to develop a relevant multi-physic model of the electrical machine to perform some specific studies, to optimize the design of the machine and to take into account the variability of the vibration behavior. Numerical model is too based on analytical formulations in order to monitor the different physics. Experimental measurements on the machine are used to validate the numerical multi-physics model. In this context of multi-physic modeling, a coupling tool is developed between the 2D electromagnetic and 3D mechanical models, in order to evaluate the vibratory behavior of electomagnetic origin of the machine. A special attention was given in modeling of radial and especially tangential magnetic forces on the electric stator. An optimization method based on a dynamic response surface is applied to the electromagnetic model in order to improve the design of the machine. Uncertainties associated to the design are numerous, especially in the vibratory field. In this context, we proposed the MSP method (Modal Stability Procedure), which taking into account the variability of the material parameters. The MSP formulation for 3D hexahedral finite element is developed an applied to the electric staor, in order to evaluate the variability of the natural frequencies and the frequency response functions

La modélisation cardiaque personnalisée consiste à créer des simulations 3D virtuelles de cas cliniques réels pour aider les cliniciens à prédire le comportement du cœur ou à mieux comprendre certaines pathologies. Dans cette thèse nous illustrons d'abord la nécessité d'une approche robuste d'estimation des paramètres, dans un cas ou l'incertitude dans l'orientation des fibres myocardiques entraîne une incertitude dans les paramètres estimés qui est très large par rapport à leur variabilité physiologique. Nous présentons ensuite une approche originale multi-échelle 0D/3D pour réduire le temps de calcul, basée sur un couplage multi-échelle entre les simulations du modèle 3D et d'une version "0D" réduite de ce modèle. Ensuite, nous dérivons un algorithme rapide de personnalisation multi-échelle pour le modèle 3D. Dans un deuxième temps, nous construisons plus de 140 simulations 3D personnalisées, dans le cadre de deux études impliquant l'analyse longitudinale de la fonction cardiaque : d'une part, l'analyse de l'évolution de cardiomyopathies à long terme, d'autre part la modélisation des changements cardiovasculaires pendant la digestion. Enfin, nous présentons un algorithme pour sélectionner automatiquement des directions observables dans l'espace des paramètres à partir d'un ensemble de mesures, et calculer des probabilités "a priori" cohérentes dans ces directions à partir des valeurs de paramètres dans la population. Cela permet en particulier de contraindre l'estimation de paramètres dans les cas où des mesures sont manquantes. Au final nous présentons des estimations cohérentes de paramètres dans une base de données de 811 cas avec le modèle 0D et 137 cas du modèle 3D
Personalised cardiac modeling consists in creating virtual 3D simulations of real clinical cases to help clinicians predict the behaviour of the heart, or better understand some pathologies from the estimated values of biophysical parameters. In this work we first motivate the need for a consistent parameter estimation framework, from a case study were uncertainty in myocardial fibre orientation leads to an uncertainty in estimated parameters which is extremely large compared to their physiological variability. To build a consistent approach to parameter estimation, we then tackle the computational complexity of 3D models. We introduce an original multiscale 0D/3D approach for cardiac models, based on a multiscale coupling to approximate outputs of a 3D model with a reduced "0D" version of the same model. Then we derive from this coupling an efficient multifidelity optimisation algorithm for the 3D model. In a second step, we build more than 140 personalised 3D simulations, in the context of two studies involving the longitudinal analysis of the cardiac function: on one hand the analysis of long-term evolution of cardiomyopathies under therapy, on the other hand the modeling of short-term cardiovascular changes during digestion. Finally we present an algorithm to automatically detect and select observable directions in the parameter space from a set of measurements, and compute consistent population-based priors probabilities in these directions, which can be used to constrain parameter estimation for cases where measurements are missing. This enables consistent parameter estimations in a large databases of 811 cases with the 0D model, and 137 cases of the 3D model

Ce travail est consacré à l'étude des convertisseurs électromécaniques linéaires à induction que l'on peut rencontrer dans la traction ou dans le pompage électromagnétique des métaux liquides. L’adéquation de l'alimentation électrique des convertisseurs linéaires à un effet recherche (pompage, traction ou freinage) est essentielle. Un modèle suffisamment rapide pour se prêter à l'optimisation vis-à-vis de différents critères est développé. La difficulté principale de la modélisation par la méthode des éléments finis réside dans le mouvement de l'induit. Cette difficulté est contournée en introduisant une condition aux limites particulières sur la surface de l'induit (convolution entre le potentiel vecteur et sa dérivée normale), ce qui permet de restreindre les parties numériques de la résolution au domaine fixe. Le modèle est utilisé pour la recherche des alimentations qui optimisent le rendement, la poussée ou bien la force de freinage. On a pu ainsi concevoir des enroulements spécifiques, pour différents modes de fonctionnement et à différentes vitesses, qui autorise un gain appréciable sur le rendement ou sur la poussée ramenée aux pertes joule dans l'inducteur. On a aussi analysé les différents champs de force dans l'induit avant et après optimisation

Cette thèse traite de la conception de systèmes électromécaniques, en particulier des machines électriques dédiées à des applications de traction. La démarche adoptée allie précision des résultats et réduction du temps de calcul du processus. A cet égard, deux thèmes ont été abordés dans cette thèse. Le premier thème concerne la modélisation de machines électriques et l'utilisation de méthodes semi-numériques. Une architecture de réseau de réluctances est proposée pour analyser les performances de machines à flux axial. Elle permet la prise en compte de l'aspect temporel et la caractéristique non-linéaire des matériaux ferromagnétiques. Des modèles basés sur la méthode des éléments finis ont été établis pour valider les résultats de modélisation. Le faible écart entre modèles numériques et semi-numériques montre le bien fondé des méthodes proposées. Des dimensionnements offrant un compromis entre précision de la solution finale et temps de calcul font l'objet du second thème de la thèse. La technique du Space Mapping est connue pour son efficacité, elle permet d'exploiter à moindre coût un modèle précis. Deux techniques qui en dérivent sont proposées en associant la modélisation par réseau de réluctances et des techniques d'optimisation. La première repose sur la modélisation de l'erreur entre des modèles de précisions différentes par une fonction à bases radiales. La deuxième intègre la correction de l'erreur dans la résolution des réseaux de réluctances en couplant les modèles linéaire et non-linéaire d'une machine électrique.

Le travail de thèse concerne la conception d’un système de surveillance robuste aux incertitudes paramétriques à base de modèles bond graph sous forme LFT ( Linear Fractional Transformations). Une procédure de génération automatique de résidus robustes et de seuils adaptatifs de fonctionnement normal a été développée et implémentée à l’aide d’outils logiciels appropriés. Les performances du diagnostic sont contrôlées par une analyse de la sensibilité de ces résidus, permettant de définir des indices de sensibilité aux incertitudes paramétriques, et des indices de détectabilité des défauts. L’outil bond graph permet par sa nature physique d’estimer à priori les valeurs détectables (en terme de puissance) des défauts physiques. Outre l’implémentation informatique, les résultats de recherche sont validés par deux applications industrielles de complexité différente :Un système électromécanique pour détecter isoler des défauts telle que la variation anormale de l'amplitude du jeu dans la partie réducteur, tout en distinguant le défaut des variations paramétriquesUn procédé énergétique de génération de vapeur, qui constitue un système non stationnaire, où l'espace paramétrique est plus complexe
This work deals with robust fault diagnosis in presence of parameter uncertainties using bond graph model in LFT form (Linear Fractional Transformations). An approach for ARRs and adaptive thresholds generation is developed and implemented on appropriate software. The diagnosis performances are improved using a residual sensitivity analysis, which allows defining sensitivity indexes of parameter uncertainties and fault delectability indexes. The fault detectable value can be estimated (in puissance terms) due to the energetic aspect of the bond graph tools. The developed method is applied in real time on two industrial applications with different complexities: Mechatronic system, in order to detect and to isolate backlash phenomenon by distinguishing fault from parameter uncertaintiesEnergetic process of steam generation, which is a no stationary system with a complex parameter space