_: Polytech'Orléans Habilitation à Diriger des Recherches Université d' Orléans ( spécialité Sciences Pour l' Ingénieur ) par Yann Chamaillard Commande à base de modèles pour le Contrôle Moteur Soutenue publiquement le 23 novembre 2006 Composition du jury : Rapporteurs G. BLOCH Professeur à l' Université Henri Poincaré Nancy 1 L. GUZZELLA Professeur à l' Ecole Polytechnique Fédérale de Zürich A . OUSTALOUP Professeur à l' Université de Bordeaux Examinateurs G.L GISSINGER Professeur à l' Université de Haute-Alsace de Mulhouse T.M . GUERRA Professeur à l' Université de Valenciennes P. HIGELIN Professeur à l' Université d' Orléans P. ROCHELLE Professeur à l' Université de Nanterre Y. TOURE Professeur à l' Université d' Orléans à Louis et Arthur Organisation générale Ce mémoire se décompose en 3 parties principales suivies d' une bibliographie et d' une annexe . La première partie intitulée " Biographie " est dédiée à mon curriculum vitae détaillé . Dans l' ordre , il est fait état de mon état civil , diplômes et qualifications , du résumé de mes activités de recherche , du résumé de mes activités d' enseignement et enfin du résumé de mes responsabilités administratives . Cette première partie , au paragraphe 1.3 , récapitule la liste de mes publications . Celles  -ci sont numérotées et référencées dans le texte selon le formalisme suivant : [ n° de la publication ] . La deuxième partie intitulée " Activités de recherches " présente plus en détails mon activité de recherche , en particulier dans le cadre des commandes à base de modèles pour le contrôle moteur . Trois volets principaux sont abordés , la modélisation et l' identification , l' estimation prédiction et les commandes à base de modèles . La troisième partie présente en deux points mon projet de recherche . La bibliographie donne une liste ( non exhaustive ) des principales références utilisées et consultées dans le cadre de mes travaux de recherche . J' y fait référence dans le texte du mémoire selon le formalisme suivant [ 3 premières lettres du nom du premier auteur   date de publication ] . Table des matières 1 Biographie 9 1.1 Etat Civil 9 1.2 Diplômes et qualifications 9 1.3 Résumé des Activités de recherche 10 1.3.1 Introduction 10 1.3.2 Encadrements - Partenariats industriels 11 1.3.3 Ouvrages , publications , communications , brevets 13 1.3.4 Participation à jury de thèse - Relecture 18 1.4 Activité d' enseignement 18 1.4.1 Résumé 18 1.4.2 Détails des enseignements 2005 - 2006 19 1.5 Responsabilités administratives 21 1.5.1 Pédagogie 21 1.5.2 Recherche 23 1.5.3 Divers 25 1.6 Résumé 25 2 Activités de Recherche 26 2.1 Introduction 26 2.2 Parcours 26 2.3 Présentation système Moteur 28 2.3.1 La réduction de la cylindrée ou downsizing 28 2.3.2 Nouveaux modes de combustion 30 2.3.3 Moteurs hybrides 31 2.4 Le contrôle moteur 32 2.5 Modélisation - Identification 34 2.5.1 Combustion 36 2.5.2 Modèle moteur hybride pneumatique 39 2.6 Estimation - Prédiction 42 2.6.1 Estimation / prédiction des richesses cylindre à cylindre 42 2.6.2 Estimation des masses et espèces admises dans le cylindre 46 2.6.3 Masse totale enfermée dans le cylindre 50 2.7 Commandes à base de modèles 53 2.7.1 Contrôle par modèle interne ( IMC ) 54 2.7.2 Commande en " feedforward " 56 2.7.3 Commande prédictive à base de modèle 58 2.8 Conclusion 64 3 Projet de recherche 66 3.1 Commandes à base de modèles pour les systèmes non linéaires 66 3.2 Optimisation globale sur horizon inconnu 67 4 Bibliographie 69 1 BIOGRAPHIE 1.1 ETAT CIVIL Yann CHAMAILLARD 24 rue du buisson , 45130 Le Bardon . Né le 10 juillet 1969 à Château Gontier . Maître de Conférences - 61ème section - Université d' Orléans UFR d' affectation Polytech'Orléans - Université d' Orléans 8 , rue Léonard de Vinci 45072 Orléans , cedex 2 Laboratoire d' accueil Laboratoire de Mécanique et Energétique ( LME , EA1206 ) . Thématique Automatique et Automobile Axe de recherche Modélisation , analyse des systèmes complexes pour la synthèse de commandes et/ou d' observateurs . Application principale : contrôle des moteurs à combustion interne . 1.2 DIPLOMES ET QUALIFICATIONS 2003 Prime d' Encadrement Doctoral et de Recherche ( PEDR ) 1997 Maître de conférences stagiaire à l' université d' Orléans , titularisé en 1998 1996 Doctorat de l' Université de Haute-Alsace ( Mulhouse ) , spécialité Automatique , novembre 1996 , mention très honorable , avec les félicitations du jury Titre Modélisation et Identification de systèmes complexes . Application à des véhicules routiers en vue de l' étude d' un nouveau système de freinage . Jury Pr . G. Dauphin-Tanguy ( rapporteur ) Ecole Centrale de Lille Pr . A . Richard ( rapporteur ) Université Henri Poincaré de Nancy 1 Pr . M. Renner ( examinateur ) ENSITM de Mulhouse M. Ch . Menard ( examinateur ) Thomson-CSF M. P . Coutant ( examinateur ) Renault Pr . G. L . Gissinger ( directeur ) Université de Haute-Alsace 1992 D.E.A. Electronique , Electrotechnique , Automatique , Université de Haute-Alsace , major de promotion . 1991 M.S.T en Electronique , Electrotechnique , Automatique , Université de Haute-Alsace . 1989 D.U.T en Génie Electrique et Informatique Industrielle , option Automatique des systèmes , Université de Poitiers . 1.3 RESUME DES ACTIVITES DE RECHERCHE 1.3.1 Introduction J' ai commencé mon activité de recherche à Mulhouse au sein du laboratoire de Modélisation et d' Identification en Automatique et Mécanique ( MIAM ) , laboratoire du Professeur G. L. Gissinger . J' y ai conduit des travaux de modélisation et d' identification de systèmes complexes , dans le domaine de la dynamique véhicule et du contrôle adaptatif de freinage . J' y ai soutenu ma thèse de doctorat en 1996 . Après une année d' A.T.E.R à Mulhouse , j' ai été nommé Maître de Conférences à l' université d' Orléans . J' ai intégré le Laboratoire d' Automatique et de Mécanique Appliquée ( L.A.M.A ) . Ce dernier était un regroupement de chercheurs isolés désirant développer la structure pour la faire reconnaître . Durant cette période , j' ai développé des travaux de recherche en collaboration avec les chercheurs du Laboratoire de Mécanique et d' Energétique ( L.M.E ) sur la modélisation et le contrôle des moteurs à combustion interne . En 2002 lorsqu' il fut demandé aux membres du L.A.M.A d' intégrer une équipe d' ores et déjà constituée , j' ai naturellement intégré le L.M.E . J' ai alors pu réellement développer mon activité de recherche et d' encadrement dans la thématique " automatique et automobile : le contrôle moteur " . Cette thématique intéressait l' équipe " moteur à combustion " du L.M.E. et c' est mon implication qui a permis son développement . Il est à noter que la présence d' une synergie " combustion et contrôle " , aussi bien en terme de moyens d' essais qu' en terme de chercheurs ( automaticiens et énergéticiens ) , en un même laboratoire est unique en France et est un atout très fort pour notre thématique . Aujourd'hui cette thématique est reconnue régionalement , nationalement et internationalement aussi bien auprès des instances publiques qu' auprès des constructeurs et équipementiers . Dans ce cadre , j' ai participé à l' encadrement de 6 thèses ( 2 en cours et 4 soutenues ) , dont 3 majoritairement ( 2 en cours et une soutenue ) . Si , pour certaines de ces thèses , on m' a proposé de participer à l' encadrement ( Thierry Jaine , Vincent Talon ou Iulian Vasile ) , pour les autres ( Pascal Giansetti , Guillaume Colin , Arnaud Jacquet ) , j' ai initié et " construit " la thèse , définissant le sujet , cherchant le financement , le candidat et éventuellement les partenaires . Dans le cadre de cette thématique j' ai pu contractualiser nombre de ces travaux avec notamment PSA Peugeot Citroën , Renault , l' IFP , Messier Bugatti ... 1.3.2 Encadrements - Partenariats industriels 1.3.2 . 1 Doctorat J' ai participé à l' encadrement de 6 thèses , représentant un encadrement total de 270 % , avec un taux d' encadrement moyen annuel de 160 % , un minimum de 80 % ( 2001 ) , un maximum de 230 % ( 2004 ) . Thierry JAINE , " Simulation zéro dimensionnelle de la combustion dans un moteur Diesel à injection directe " , Université d' Orléans , 24 février 2004 . Direction P. Higelin , Taux d' encadrement : 40 % . Publications associées : ? [ 30 ] ? [ 31 ] ? [ 53 ] . Vincent TALON , " Modélisation d' un moteur à rapport volumétrique et cylindrée variable " , Université d' Orléans , 07 décembre 2004 . direction P. Higelin , Taux d' encadrement : 40 % . NB : l' entreprise partenaire ( PSA Peugeot Citroën ) n' a pas souhaité que ces travaux soient divulgués dans des publications . Pascal GIANSETTI , " Contrôle en couple d' un moteur essence fonctionnant en mélange pauvre " , Université d' Orléans , 29 septembre 2005 . Direction P. Higelin , Taux d' encadrement : 60 % . Publications associées : ? [ 4 ] ? [ 9 ] ? [ 13 ] ? [ 23 ] ? [ 26 ] ? [ 29 ] , Brevets : ? [ Br 3 ] ? [ Br 4 ] . Iulian VASILE , " Etude théorique et expérimentale d' un moteur hybride thermo pneumatique " , Université d' Orléans , 09 décembre 2005 . Direction P. Higelin , . Taux d' encadrement : 30 % . Publications associées : ? [ 8 ] ? [ 11 ] ? [ 20 ] ? [ 25 ] , Brevets : ? [ Br 5 ] . Guillaume COLIN , " Contrôle des systèmes rapides non linéaires - Application au moteur à allumage commandé turbocompressé à distribution variable " , Université d' Orléans , 12 octobre 2006 . Co-direction P. Higelin ( LME ) G. Bloch ( CRAN ) , . Taux d' encadrement : 60 % . Publications associées : ? [ 5 ] ? [ 6 ] ? [ 22 ] ? [ 24 ] ? [ 46 ] ? [ 47 ] ? [ 48 ] ? [ 49 ] ? [ 51 ] . Arnaud JACQUET , " Contrôle freinage avion gros porteur " . Université de Haute-Alsace . Direction G.L. Gissinger , Taux d' encadrement : 40 % . Brevets associés : ? [ Br 1 ] ? [ Br 2 ] . 1.3.2 . 2 DEA J' ai participé à l' encadrement de 7 étudiants de DEA ( ou master Recherche ) . Pour cinq d' entre eux qui ont poursuivi ( ou qui poursuive ) en thèse , j' ai participé ( ou je participe ) à leur encadrement . Thierry JAINE , " Contrôle en couple d' un moteur à combustion interne " , Université d' Orléans , 2000 . Poursuite en thèse au LME avec l' IFP . Pascal GIANSETTI , " Reconstruction du taux d' EGR à partir de la pression cylindre " , Université d' Orléans , 2001 . Poursuite en thèse au LME avec PSA Peugeot Citroën . Calogero BELTRAMI , " Prédiction par réseau de neurones de la masse d' air admise pour le contrôle de la richesse dans un moteur à allumage commandé " , Université Henry Poincaré Nancy 1 , 2002 . Publications associées : ? [ 28 ] . Guillaume COLIN , " Optimisation de la dynamique d' air d' un moteur essence suralimenté dans l' objectif du Downsizing moteur " , Université Henry Poincaré Nancy 1 , 2003 . Poursuite en thèse au LME . Arnaud JACQUET , " Etude de l' interface roue / sol et optimisation des distances de freinage d' un véhicule " , Université d' Orléans , 2004 . Poursuite en thèse en co-encadrement MIPS ( Mulhouse ) et LME ( Orléans ) . Naïma MAHMOUD , " Observateur de masse d' air et de masse de gaz brûlé ; Contrôle Déphaseur . " , Université de Caen Basse-Normandie , 2005 . Andrej IVANCO , " Stratégies d' optimisation d' un moteur hybride pneumatique . " , Université d' Orléans , 2006 . Poursuite en thèse , en cotutelle avec l' université de Prague , au LME dès septembre 2006 . J' ai également encadré divers ingénieurs , en projet de fin d' année ou en stage de fin d' année ( une publication associée : ? [ 44 ] ) . 1.3.2 . 3 Partenariats industriels J' ai géré dans le cadre de mes activités de recherche plusieurs collaborations avec PSA Peugeot - Citroën , Renault , l' IFP , Messier Bugatti . Celles  -ci représentent 13 contrats sur 7 ans ( de 1999 à 2006 ) et pour un total de 287280 & 226;& 130;& 172; HT . Estimation richesse cylindre Cette étude a été conduite , en 1999 , en partenariat avec PSA Peugeot - Citroën et avait pour but l' identification et la validation de la non linéarité en richesse du processus de propagation des gaz dans le collecteur d' échappement par modélisation d' état en vue de l' estimation de la richesse cylindre à cylindre . Cette étude a été réalisée dans le cadre d' un projet et stage ingénieur de 5ème année , pour un montant de 2300 & 226;& 130;& 172; HT . Modèle de frottements Cette étude menée en partenariat avec PSA Peugeot - Citroën avait pour but d' établir un modèle de frottements au sein d' un moteur à combustion interne , pour établir un estimateur de la Pression Moyenne de Frottement ( PMF ) et de reconstruire la Pression Moyenne Effective ( PME ) . Cette étude a été réalisée dans le cadre de plusieurs projets et stages ingénieurs de 5ème année ( de 2000 à 2001 ) pour un montant total de 6900 & 226;& 130;& 172; HT . Optimisation transmission CVT Cette étude conduite en 2001 , en partenariat avec Renault , avait pour but la modélisation d' un véhicule équipé d' une Transmission Continûment Variable ( CVT ) et d' un embrayage piloté afin d' optimiser les lois de commande de l' ensemble Groupe Moto-Propulseur ( GMP ) . Cette étude a également été réalisée dans le cadre d' un projet et stage ingénieur de 5ème année , pour un montant de 2300 & 226;& 130;& 172; HT . Système d' admission d' air , d' EGR et composition des gaz Ce thème très général à fait l' objet d' un fort partenariat ( de 2002 à 2005 ) avec PSA Peugeot - Citroën . L' objectif était l' estimation des espèces admises dans le cylindre . Il inclut en particulier les travaux de thèse de P. Giansetti , pour un montant total de 116000 & 226;& 130;& 172; HT et par ailleurs plusieurs projets et stages ingénieurs de 5ème année , pour un montant total de 24780 & 226;& 130;& 172; HT . Downsizing moteur Ce sujet correspond à un partenariat important ( de 2003 à 2006 ) avec l' IFP . L' objectif était de fournir une architecture et des solutions de contrôle innovantes pour le pilotage d' un moteur à combustion interne à allumage commandé turbocompressé et à distribution variable . Il inclut les travaux de thèse de G. Colin , pour un montant total de 112500 & 226;& 130;& 172; HT . Freinage Avion Ce partenariat avec Messier Bugatti ( depuis 2005 ) vise la " modernisation " de la fonction freinage . En effet rapidement devrait apparaître des actionneurs de freinage tout électrique . Par ailleurs Messier Bugatti souhaite revoir son rôle de prestataire de la fonction freinage , afin d' être d' intégrer plus globalement l' aéronef dans son ensemble . L' objectif est alors de redéfinir complètement les lois de commande de freinage afin de les rendre plus évolutives , plus robustes ( indépendantes du matériel ) et plus aisé à paramétrer . Ce partenariat concerne les travaux de thèse de A. Jacquet , pour un montant de 22500 & 226;& 130;& 172; HT . 1.3.3 Ouvrages , publications , communications , brevets J' ai participé à la rédaction de deux ouvrages édités chez Hermes , de 17 publications dans des revues internationales ou nationales , de 36 communications dans des congrès internationaux ou nationaux et de 5 brevets . Ouvrages [ 1 ] Y. Chamaillard , Le châssis et ses modèles physiques in Contrôle et commande de la voiture , G. Gissinger et N. Lefort-Pia , eds Hermes , 2002 . [ 2 ] Y. Chamaillard , Contrôle du Groupe Moto Propulseur ( GMP ) in La voiture intelligente , G. Gissinger et N. Lefort-Piat , eds Hermes , 2002 Revues Internationales soumises ou en révisions [ 3 ] D. Khiar , J. Lauber , T. Floquet , G. Colin , TM . Guerra , Y . Chamaillard , Robust Takagi-Sugeno fuzzy control of a spark ignition engine , soumise à Control Engineering and Pratice - 2006 . [ 4 ] P. Giansetti , G. Colin , Y. Chamaillard , P. Higelin , In-Cylinder Mass Estimation Using Cylinder Pressure , soumise à IEEE transactions on Control Systems Technology , special Issue on Automotive Controls - 2006 . [ 5 ] G. Colin , Y. Chamaillard , G. Bloch , A . Charlet , Exact and linearised neural predictive control - A turbocharged SI engine example , soumise ( 01 / 2005 ) à Journal of dynamic systems , measurement and control , en révision 05 / 2006 . [ 6 ] G. Colin , Y. Chamaillard , G. Bloch , G. Corde , Neural control of fast nonlinear systems - Application to a turbocharged SI engine with VCT , soumise à IEEE Transaction on Neural Network , special issue on Neural Networks for Feedback Control , en revision 09 / 2006 . Revues Internationales [ 7 ] P. Giansetti , Y. Chamaillard , P. Higelin , A . Charlet , Estimation and prediction of in-cylinder chemical species in a gasoline engine for control purpose , Journal of dynamic systems , measurement and control , à paraître . [ 8 ] I. Vasile , P. Higelin , A . Charlet , Y. Chamaillard . Downsized engine torque lag compensation by pneumatic hybridization , Journal of Power and Energy , à paraître . [ 9 ] P. Giansetti , G. Colin , P. Higelin , Y. Chamaillard , Residual Gas Fraction Measurement and Computation , International Journal of Engine Research , à paraître . [ 10 ] G. Colin , Y. Chamaillard , G. Bloch , G. Corde , A . Charlet , Linearized Neural Predictive Control : A Turbocharged SI Engine Application , SAE Transactions Journal of Engines , pp. 101 - 108 , February 2006 . [ 11 ] P. Higelin , I. Vasile , A . Charlet and Y. Chamaillard , Parametric Optimization of a New Hybrid Pneumatic - Combustion Engine Concept , Journal of Engine Research , Vol . 5 , N° 2 , 2004 . [ 12 ] Y. Chamaillard , P. Higelin , A . Charlet , A simple method for robust control design , application on a non - linear an delayed system : engine torque control , Control Engineering Practice , Vol . 12 , n° 4 , 2004 . [ 13 ] P. Giansetti , Y. Chamaillard , C . Perrier , A . Charlet , P . Higelin , S. COUET , A Model for Residual Gas Fraction Prediction in Spark Ignition Engines , SAE Transactions journal of engines , Vol . 112 3 , 2003 . [ 14 ] P. Higelin , A . Charlet , Y. Chamaillard , Thermodynamic Simulation of a Hybrid Pneumatic-Combustion Engine Concept. , Int . Journal of Applied Thermodynamics , Vol . 5 , 2002 . [ 15 ] Y. Chamaillard and G.L. Gissinger , Formal and Architectural aspects of modelling ; Implications in the case of vehicles , Control Engineering Practice , Vol . 5 , Issue 8 , 1997 . [ 16 ] M. Voit . ; Y. Chamaillard Y. ; G.L . Gissinger , Methodology for the Design of a New Strategy in Vehicle Braking : Simulation and Comparison of Algorithms , JSAE Review , Vol . 16 , Number 2 , 1995 . [ 17 ] G.L. Gissinger , Y. Chamaillard , T. Stemelen , Modelling a Motor Vehicle and its Braking System , Mathematical and computer modelling journal , 1994 . Revues Nationales [ 18 ] P. Higelin , A . Charlet , Y. Chamaillard , Modélisation d' un moteur hybride pneumatique , ENTROPIE , N° 241 , pp 42 - 49 , Janvier 2002 . [ 19 ] M. Voit Y. Chamaillard , G.L . Gissinger , Eine Komplete Strategie zur Entwicklung von Fahrzeugelementen durchgeführt am Beispiel einer Bremsregelung , Automatisierungstechnik , pp 201 - 207 , R. Oldenbourg Verlag , München , 1995 . Communications internationales avec comités de lecture . [ 20 ] I. Vasile , P. Higelin , A . Charlet , Y. Chamaillard . Downsized engine torque lag compensation by pneumatic hybridization , conference on Modeling Fluid Flow CMFF' 06 , Budapest , Hongrie , sept 06 . [ 21 ] P. Giansetti , P. Higelin , Y. Chamaillard and A. Charlet . Residual Gas Fraction Measurement in Spark Ignition Engines , 7 th International Conference on Engines for Automobile , Italie , Capri , 2005 . [ 22 ] G. Colin , Y. Chamaillard , G. Bloch , G. Corde , A . Charlet , Linearized Neural Predictive Control : A Turbocharged SI Engine Application , SAE Paper N° 2005 - 01 - 0046 , 2005 [ 23 ] P. Giansetti , Y. Chamaillard , P. Higelin , A . Charlet , Estimation et prédiction des espèces chimiques dans le cylindre d' un moteur à allumage commandé à des fins de contrôle moteur , CIFA 04 , Conférence Internationale Francophone d' Automatique - Douz - Tunisie - 11 / 2004 . [ 24 ] G. Colin , Y. Chamaillard , G. Bloch , G. Corde , A . Charlet , Exact and linearised neural predictive control : a turbocharged SI engine example , AVCS 04 - International Conference on Advances in Vehicle Control and Safety , Genoa , Italy , 10 / 2004 . [ 25 ] I. Vasile , P. Higelin , A . Charlet , Y. Chamaillard , Pneumatic hybridation for cycle to cycle torque control of turbocharged SI engines , CONAT 2004 International Automotive Congress , Brasov , Romania , 10 / 2004 . [ 26 ] P. Giansetti , Y. Chamaillard , P. Higelin , A . Charlet , C . Perrier. , Estimation and Prediction of In-Cylinder Chemical Species in a Gasoline Engine for Control purpose , AAC' 04 , Salerne , Italy , 2004 . [ 27 ] G. Bloch , Y. Chamaillard , G. Millerioux and P. Higelin , Neural prediction of cylinder air mass for AFR control in SI engine , SYSID2003 - REG317 , 08 / 2003 . [ 28 ] C. Beltrami , Y. Chamaillard , G. Millerioux , P. Higelin and G . Bloch , AFR control in SI engine with Neural prediction of cylinder air mass , ACC03 - IEEE0334 , 2003 . [ 29 ] P. Giansetti , Y. Chamaillard , C . Perrier , A . Charlet , P . Higelin , S. COUET , A Model for Residual Gas Fraction Prediction in Spark Ignition Engines , SAE Paper N° 2002 - 01 - 1735 , SAE Fuel and Lubricant Congress , USA , 2002 . SAE bound volume SP - 1711 Engine Modeling Techniques : SI and Diesel , 2002 . [ 30 ] T. Jaine , Y. Chamaillard , A . Charlet , P. Higelin , High frequency IMEP estimation and filtering for torque based SI engine control , SAE Paper N° 2002 - 01 - 1276 , SAE International Congress , Detroit , Michigan USA , 2002 . SAE bound volume PT - 110 Electronic Engine Control Technologies , 2002 . [ 31 ] T. Jaine , Y. Chamaillard , A . Charlet , P. Higelin , High frequency IMEP estimation and filtering for torque based SI engine control , ATTCE paper n° 01ATT-116 , international Congress on Automotive and Transportation Technology , Barcelona , Spain , 2001 . [ 32 ] Y. Chamaillard , C . Perrier , Air-Fuel Ratio control by fuzzy logic , preliminary investigation , 3 rd IFAC Workshop on Advances in Automotive Control , Karlsruhe , Germany , 2001 . [ 33 ] J. Fantini , Y. Chamaillard , F . Gouy , B . Marguerie , Determination of a non linear , unified and robust individual cylinder air fuel ratio estimator , SAE Paper N° 2000 - 01 - 0262 , SAE International Congress , Detroit , Michigan USA , 2000 . SAE bound volume SP - 1500 Electronic Engine Control , 2000 , SAE bound volume PT - 68 Sensors and Transducers , 2000 . [ 34 ] Y. Chamaillard , G.L . Gissinger , Formal and architectural aspects of modelling , the case of a semi-trailer , IFAC' 96 13 th World Congress , San Francisco , California USA , 1996 . [ 35 ] C. Menard , G. L . Gissinger , Y. Chamaillard , Active control of the dynamics of the ground behaviour of a vehicle , SAE Paper n° 965622 , SAE International Congress , Los Angeles , USA , 1996 . [ 36 ] Y. Chamaillard , J. M . Fourmoy , P. H . Chabbert , G.L . Gissinger , Accurate road behaviour modelling of a trailer truck , AVEC' 96 International Symposium on Advanced Vehicle Control , Aachen , Allemagne , June 1996 . [ 37 ] Y. Chamaillard , G.L . Gissinger , J.M . Perrone , M. Renner , An Original Braking Controller With Torque Sensor , The third IEEE Conference on Control Applications , Glasgow , Ecosse , 1994 . [ 38 ] Y. Chamaillard , G.L . Gissinger , C . Menard , Braking Regulation of a Vehicle , Application and Comparison of control algorithms of unstable or pseudo-stable fast systems , SAE Paper N° 940837 , SAE International Congress , Detroit , Michigan USA , 1994 . SP - 1018 SAE bound volume ABS / TCS and brake technology developments , pp 111 - 120 , 1994 . [ 39 ] G.L. Gissinger , Y. Chamaillard , T. Stemmelen , Modelling a Motor Vehicle and its Braking System , IMACS Symposium on Mathematical Modelling , Vienne , Autriche , 1994 . [ 40 ] M. Voit , Y. Chamaillard , G.L . Gissinger , Methodology for the Design of a New Strategy in Vehicle Braking : Simulation and Comparison of Algorithms , AVEC' 94 International Symposium on Advanced Vehicle Control , Tsukuba , Japon , 1994 . [ 41 ] G.F. Mauer , G.L . Gissinger , Y. Chamaillard , Fuzzy Logic Continuous and Quantizing Control of an ABS Braking System , SAE Paper N° 940830 , SAE International Congress , Detroit , Michigan USA , 1994 . SAE bound volume SP - 1018 , ABS / TCS and brake technology developments , 1994 SAE bound volume PT - 57 , ABS - TCS - VDC , Where Will the Technologie Lead Us ? , 1994 . Communications internationales [ 42 ] D. Khiar , J. Lauber , T. Floquet , G. Colin , TM . Guerra , Y . Chamaillard . Nonlinear modelling and control approach for a turbocharged SI engine , IEEE - IECON' 06 . Paris , 11 / 2006 [ 43 ] G. Le Solliec , G. Colin , F . Le Berr , G. Corde , Y . Chamaillard . Engine Control of a downsized Spark Ignited Engine : from simulation to vehicle , IFP E-COSM congress on New Trends on Engine Control , Simulation and Modelling , Paris 10 / 2006 [ 44 ] G. Labreuche , A . Da Costa , Y. Chamaillard , A . Charlet , P . Higelin , Total Friction Effective Pressure and Torque Estimator , MECA' 01 , international Workshop on Modelling , Emissions and Control in Automotive Engines , Salerno , Italy , 2001 . [ 45 ] Y. Chamaillard , G.L . Gissinger , Formal and architectural aspects of modelling , the case of a semi-trailer , IAR' 96 Annual Meeting , Karlsruhe , Allemagne , 1996 . Communications nationales [ 46 ] D Khiar , J Lauber , T Floquet , T.M . Guerra , G. Colin , Y . Chamaillard Estimation du couple instantané d' un moteur essence 1 . Conférence Internationale Francophone d' Automatique CIFA , 30 , 31 mai et 1er juin 2006 , Bordeaux [ 47 ] G. Colin , Y. Chamaillard , G. Bloch , A . Charlet , and G. Corde . Turbocharged SI engine : A neural approach , Journée d' étude automatique et automobile , Bordeaux 2005 [ 48 ] G. Colin , Y. Chamaillard , G. Bloch . Contrôle prédictif neuronal linéarisé application sur un moteur à allumage commandé suralimenté , Journées nationales du GdR MACS , Lyon 2005 . [ 49 ] G. Colin , Y. Chamaillard , G. Bloch . Commande prédictive non linéaire à base de modèles neuronaux . Application au moteur à essence suralimenté , Journée du Groupe de Travail Commande Prédictive Non-Linéaire du GdR MACS , Paris 2005 . [ 50 ] P. Higelin , Y. Chamaillard , Contrôle des moteurs à combustion interne - problématique et perspectives , Journée Automatique et Automobile du GDR MACS , conférence invitée , Mulhouse , 11 / 2004 . [ 51 ] G. Bloch , G. Colin , Y. Chamaillard , Contrôle moteur et réseaux de neurones , Journée d' étude automatique et automobile , Bordeaux 2003 [ 52 ] P. Higelin , A . Charlet , Y. Chamaillard , Modélisation d' un Moteur Hybride Pneumatique , SFT 2002 , Paris , 2002 . [ 53 ] T. Jaine , Y. Chamaillard , A . Charlet , P. Higelin , High frequency IMEP estimation and filtering for torque based SI engine control , Journées d' Etude Automatique et Automobile , Bordeaux , France , 2001 . [ 54 ] C. Perrier , L. Perron , J. Fantini , Y. Chamaillard , P. Dreano , P. Higelin , A . Charlet , Contrôle moteur haute fréquence en boucle fermée . Communication présentée au comité scientifique PSA , 1999 . [ 55 ] G.L. Gissinger , Y. Chamaillard , C . Menard , Modélisation et simulation du système de freinage d' un véhicule automobile : conception d' un ABS nouvelle génération , Journées d' Etude Automatique et Automobile , Bordeaux , France , 1995 . Brevets [ Br 1 ] Procédé de répartition du freinage dans au moins un groupe de freins d' un aéronef . Référence : FR 0602181 - 2006 . [ Br 2 ] Procédé de gestion du freinage d' un aéronef par prévision de son déplacement sur la plateforme aéroportuaire . Référence : FR 0602182 - 2006 [ Br 3 ] Procédé d' estimation de la masse de gaz dans le cylindre d' un moteur à combustion interne . Brevet 0452026 - 2004 [ Br 4 ] Méthode d' estimation de la concentration de certaines espèces chimiques à l' intérieur d' un cylindre de moteur à combustion , et application au contrôle d' un moteur à injection . Brevet 0312927 - 2003 [ Br 5 ] Procédé de fonctionnement d' un moteur hybride pneumatique thermique à suralimentation par turbocompresseur . Brevet 02865769 - 2002 1.3.4 Participation à jury de thèse - Relecture J' ai été membre examinateur du jury de la thèse de E. Haro-Sandoval , " contribution à l' identification de systèmes complexes . Application à la caractérisation de la dynamique latérale d' un véhicule automobile " , Laboratoire MIPS - Mulhouse , thèse co-dirigée par MM. Gissinger et Basset , soutenue le 3 juillet 2006 . J' ai été contacté à plusieurs occasions pour relire soit des publications pour des revues internationales ou nationales : * ASME Transactions Journal of Dynamic Systems , Measurement , and Control . * JESA Journal Européen des Systèmes Automatisés . soit des communications pour des congrès internationaux ou nationaux : * IEEE International Symposium on Computer-Aided Control Systems Design . * IFAC world congress on automatic control . * IFAC Workshop on Advances in Automotive Control . * CIFA' 06 Conférence Internationale Francophone d' Automatique . * IEEE symposium VTS-VPP 04 sur les propulsions alternatives dans les transports . 1.4 ACTIVITE D' ENSEIGNEMENT 1.4.1 Résumé Mon activité d' enseignement a débuté en 1992 dans le cadre de mon monitorat à l' enseignement supérieur à l' Université de Haute-Alsace . Puis j' ai été Attaché Temporaire d' Enseignement et de Recherche ( ATER ) en 1996 à l' Ecole Supérieure des Sciences Appliquées pour l' Ingénieur de Mulhouse ( ESSAIM ) de l' Université de Haute-Alsace . Depuis 1997 , je suis Maître de Conférences à l' Université d' Orléans , toujours au sein de la même UFR : Polytech'Orléans , anciennement ESEM . L' Ecole Supérieure de l' Energie et des Matériaux ( ESEM ) a fusionné en 2001 avec l' Ecole Supérieure en Procédés Electroniques et Optiques ( ESPEO ) pour créer Polytech'Orléans . Mon enseignement a toujours été constitué , dans des proportions plus ou moins importantes , d' automatique ( linéaire continue et/ou discrète ) , d' informatique ( développement et/ou utilisation de logiciels ) et de contrôle appliqué au véhicule ou au moteur . J' ai toujours enseigné en second cycle . Sous statut de moniteur puis d' ATER mon service ( en heure équivalent TD ) était de 64h puis 96h , en tant que maître de conférences mon service était de l' ordre de 330h de 1997 à 2003 puis de l' ordre de 240h depuis 2003 . Plus précisément sur ces deux dernières années mon service était réparti comme suit : Année Désignation Nb Heures ( éq TD ) 2004 / 2005 o TD Informatique o Cours Technologie des véhicules o TP automatique o Cours TD Asservissements o Cours TD Identification - commande adaptative o Cours TD Contrôle Moteur Combustion Interne o Suivi de projets 4A , 5A , suivi de stages , Tutorats 84 18 8 22 , 67 20 40 10 44 , 5 2005 / 2006 o TD Informatique o Cours Technologie des véhicules o TP automatique o Cours TD Asservissements o Cours TD Identification - commande adaptative o Cours TD Contrôle Moteur Combustion Interne o Suivi de projets 4A , 5A , suivi de stages , Tutorats 76 12 8 15 , 83 20 40 12 1.4.2 Détails des enseignements 2005 - 2006 o TD Informatique : Programmation orientée objet et Programmation Windows Objectifs : Développer des programmes scientifiques en Programmation Orientée Objet C + + , avec un objectif de qualité : programmation modulaire , utilisant des bibliothèques scientifiques , et optimisant l' utilisation des ressources . Programmation Windows , architecture vue . Programme : Prise en main du logiciel Visual studio . NET , Instructions d' entrée-sortie , affectation et structures de contrôle . Débogage , utilisation de l' explorateur Windows , et de la fonctionnalité de recherche . Pointeurs . Tableaux statiques et dynamiques . Objets : classes , encapsulation . Constructeurs , destructeur , méthodes . Surcharge des fonctions et des opérateurs . Constructeur de recopie et fonctions amies . Héritage , polymorphisme . Flux . Généricité . Programmation Windows , architecture vue , modèle SDI MDI , boite de dialogue , contrôle , form view , gestion événement NB : pour ce module un document de cours " en autoformation " a été rédigé . Les élèves sont donc tenus de travailler en " autonomie " chaque chapitre de cours . Seul un point de synthèse de cours est fait en début de chaque semaine . o Cours technologie des véhicules Objectifs : Fournir une première approche " système " des véhicules terrestres et aériens et des modes de propulsion . Sont décrits les véhicules terrestres , aériens , les moteurs thermiques alternatifs , les turbomachines et les systèmes de production d' énergie . Programme : historique des moyens de communication et leur influence sociologique . Les différents composants - fonction assurée . Dynamique générale et bilan des puissances . Description des fonctions et des principes de fonctionnement des véhicules terrestres guidés ou non et des composants principaux de ces véhicules . Caractéristiques des véhicules terrestres ; classification , dimensions , moteurs , résistances passives , organes de roulement . Etude de la propulsion et du freinage des véhicules . Dynamique véhicule . o TP Automatique Objectifs : Ces Travaux pratiques mettent en oeuvre des enseignements en automatique linéaire ainsi que des compétences en automatismes séquentiels vus dans la première partie de l' année Programme : * asservissement de position avec un moteur à courant continu * régulation de la température d' un four de cuisson * commande par retour d' état * identifications de processus o Cours TD Asservissements Objectifs : Fournir à l' étudiant les formalismes mathématiques et les outils de l' automatique pour modéliser et corriger les systèmes linéaires continus . Programme : Modélisation et correction : Broïda , Ziegler Nichols et Strejc . Représentation des systèmes dans l' espace d' état : modèle mathématique , exemples choisis dans divers domaines . Dynamique des systèmes linéaires : matrice de transition , transformation des variables d' état , formes canoniques , conditions . Variables exogènes : perturbations , systèmes de poursuite . Compensation : placement des pôles , observateur d' état . o Cours TD Identification - Commande adaptative Objectifs : * Introduire les formalismes mathématiques et les outils de l' automatique pour l' identification et la modélisation des systèmes . * Connaître les méthodes , algorithmes et méthodes d' identification . * Acquérir les concepts de commande par modèle interne , RST et adaptatives . * Pratiquer et mettre en oeuvre des asservissements numériques dans le cadre d' applications réelles . Programme : * Identification , Commande : Rappels , Méthodes d' identification des modèles dynamiques . Un signal pour l' identification la SBPA . Les moindres carrés , généralisés , récursifs . Maximum de vraisemblance . Principes de commande par modèle interne , RST et Commande adaptative [ gain préprogrammé , avec modèles de référence ] . * Asservissements numériques : TDs appliqués de mise en oeuvre des asservissements numériques sur procédés réels : moteur à courant continu , actionneur automobile [ vanne EGR ] , régulation de niveau , ... o Cours TD Contrôle moteur à combustion interne Objectifs : Les systèmes de contrôle moteur , les stratégies , et le matériel ( capteurs , actionneurs , contrôleur ) associé . Mise au point de stratégies de contrôle moteur . Programme : Historique du contrôle moteur : carburateur , injection mécanique . Etat de l' art : capteurs , actionneurs , stratégies de contrôle : richesse , ralenti , contrôle en couple , cliquetis , démarrage à froid . Mise en oeuvre matérielle et logicielle des calculateurs de contrôle moteur . Méthodes de mise au point . Réseaux embarqués . Contrôle moteurs à allumage commandé et par compression . Dynamique collecteur d' admission , turbocompresseur , carburant , modèles de frottement . Le futur : contrôle basé sur des modèles physiques ou heuristiques , contrôle en couple . o Projets 4A et 5A Objectifs : L' objectif est de mettre les étudiants dans la position de l' ingénieur avec notamment la gestion des aspects techniques et scientifiques mais aussi des aspects budgétaires . Programme : Les étudiants , généralement en binôme , auront à réaliser une étude à vocation industrielle ou de recherche , en la traitant de manière professionnelle avec la plus grande autonomie possible . Les étudiants s' appuieront sur les connaissances et les méthodes d' analyse vues dans la formation . 1.5 RESPONSABILITES ADMINISTRATIVES 1.5.1 Pédagogie De 1998 à 2001 , j' ai été responsable de l' option Systèmes Automatisés ( SA ) et du secteur pédagogique Electronique , Automatique et Informatique ( EAI ) de l' Ecole Supérieure de l' Energie et des Matériaux ( ESEM ) . 1.5.1 . 1 Option SA La gestion d' une option de troisième année de cycle ingénieur demande de veiller à une bonne adéquation de la formation avec le marché de l' emploi donc avec les attentes des industriels du secteur d' activité visé . Pour cela en tant que responsable de l' option Systèmes Automatisés ( SA ) j' ai été attentif à ce que le programme pédagogique développé soit discuté et actualisé ( si besoin ) chaque année , que les outils pédagogiques , dans la mesure des finances disponibles , soient renouvelés et que les technologies ( matérielles ou logicielles ) utilisées soient le plus à jour possible . Pendant que je m' en occupais , cette option représentait un effectif moyen de 10 à 15 étudiants par an . Elle formait des ingénieurs au croisement des deux grandes disciplines que sont l' Automatique et l' Informatique . Les enseignements de l' option se répartissaient en 6 modules de cours , TD et TP , d' un projet étudiant de 160h et d' un stage ingénieur visant l' apport et la mise en application de compétences dans les secteurs suivants : * informatisation des procésus , * contrôle / commande moderne , * ingénierie informatique , * administration systèmes * génie logiciel et réseaux , * méthodologies de développement des procédés industriels . Mes activités de recherche et de transfert de technologie me permettaient d' intégrer à l' équipe pédagogique de l' option des vacataires issus de l' industrie dans une proportion significative ( 3 enseignants en poste à l' ESEM pour 4 vacataires ) . Cette présence d' industriels dans les enseignements de l' option est à mon sens un atout fort qui assure un lien direct avec l' entreprise et qui répond à l' attente de nombreux étudiants arrivant en fin de cycle de formation . Toujours dans le but d' assurer l' adéquation de la formation avec le marché de l' emploi , je me suis attaché à proposer aux étudiants des projets majoritairement ( ? 85 % ) développés en partenariat avec des industriels du secteur . Il est intéressant de constater que ces projets sont pour chaque étudiant une plus value certaine sur leur curriculum vitae et bien souvent ( ? 50 % ) une porte ouverte sur un stage et un futur emploi . Mon implication dans cette option a permis une redéfinition de la carte pédagogique proposée , le renouvellement d' une partie du matériel disponible et ainsi le maintien d' une formation d' ingénieur de qualité . Pour le fonctionnement courant de l' option je disposais d' un budget annuel de l' ordre de 7000F. Il est bon de souligner que les investissements effectués sur 3 ans , pour l' achat de matériel , étaient de l' ordre de 150000F. Des investissements ont été rendus possibles par un apport financier externe issu de partenariats avec des industriels ( projets étudiants et transferts de technologies ) ou de subventions de l' ANVAR . Ceci sous-entend une forte implication de l' équipe pédagogique , mais également des étudiants dans la vie de l' option . La pérennité d' une telle structure passe également par une juste mise en valeur des travaux qui y sont effectués . J' ai ainsi mis en place deux supports de valorisation de l' option : * des posters réalisés par les étudiants et synthétisant leurs projets ( visibles dans l' établissement ) , * un site Internet développé par les étudiants . A titre de bilan on peut souligner que l' option SA assurait le plein emploi de ses étudiants et ceci à l' issue même du stage . 1.5.1 . 2 Secteur pédagogique EAI Un secteur pédagogique regroupe des disciplines scientifiques et technologiques cohérentes entre elles pour former l' ossature de la formation des élèves pendant leurs trois années d' études . Ces disciplines intéressent aussi bien les enseignements de filières , électifs , que de tronc commun . Mon rôle dans le secteur pédagogique Electronique Automatique Informatique ( EAI ) consistait à assurer , conjointement avec les responsables concernés ( de filières ou / et de modules ) , la cohérence des programmes d' enseignement . Par ailleurs , sur un volume total de plus de 20 modules d' enseignement ( 2000 heures ) , mon rôle consistait également à coordonner une équipe pédagogique . Cette équipe était constituée de 20 intervenants . Le programme d' informatique , compte tenu de l' évolution rapide des matériels , des techniques , des méthodes et des concepts , demandait chaque année une actualisation importante . A titre d' exemple , sur 2 ans , le langage C a remplacé le Turbo Pascal en tronc commun , le langage JAVA a été introduit en option S.A. et la conception orientée objet a été introduite en génie logiciel ainsi que le modèle de programmation U.M.L . Pour les disciplines Electronique et Electrotechnique , on notera la mise en place de volumes pédagogiques relatifs aux compatibilité électromagnétiques ( C.E.M. ) , à la sécurité des systèmes électriques , à la simulation et au prototypage rapide de circuits électroniques . Concernant l' automatique on voit tendre le programme de plus en plus vers des techniques numériques incluant les concepts d' identification et de commande mais également d' informatique industrielle ( acquisition , algorithme de contrôle et restitution de signal ) . Le caractère même des disciplines du secteur E.A . I . justifie , pour celui  -ci , le plus gros des budgets des différents secteurs de l' ESEM , soit un budget annuel de 120 KF à gérer . 1.5.1 . 3 Master Global Automotive Engineering En octobre 2004 , j' ai constitué un dossier d' habilitation concernant une formation de spécialisation de type master international " Duby " en sciences et technologies en " ingénierie globale de l' automobile - global automotive engineering " . Ce dossier soumis en novembre 2004 a été habilité en mars 2005 pour 2 ans . L' idée de cette formation part du constat qu' aujourd'hui le métier du constructeur automobile évolue fortement pour devenir d' avantage assembleur et spécificateur que réellement concepteur . L' idée principale est donc de former des cadres " intégrateurs " . La carte pédagogique a été construite pour servir cette idée . Le produit automobile est le vecteur de la formation , la conduite de projet est présente du début à la fin de la formation ( pédagogie inductive ) , la formation est pluridisciplinaire et multi-compétences . Par ailleurs une large place est laissée pour l' apprentissage et la pratique des langues . Un Master International Duby est ouvert majoritairement ( + de 60 % ) aux étudiants étrangers et aux étudiants de la formation continue . Ce type de master est en autonomie financière . Le peu de délais dont nous disposions pour faire la promotion de cette formation à l' international , les contraintes dures de ce type de master ne nous ont pas permis d' ouvrir le master dès la première année . Nous avons cependant recruté un étudiant Mexicain qui fut intégré dans le cursus ingénieur ( 4ème année ) . Avec 5 autres élèves ( de 4ème année du cycle ingénieur ) volontaires nous avons démarré un projet d' étude intitulé : " réalisation d' un système de freinage électromécanique pour un véhicule SMART " . Pour l' heure ce master se concrétise également par une action forte et commune avec l' IUT d' Orléans vers la formation continue , une action forte à l' international en particulier vers les pays de l' Est ( Roumanie , Pologne , République Tchèque , Slovaquie , Hongrie ) , la Chine et le Mexique . Un élément important à noter est que parallèlement à ce master une option transversale de spécialisation en dernière année du cycle ingénieur va ouvrir à la rentrée de septembre 2007 . 1.5.2 Recherche 1.5.2 . 1 Network of Excellence J' ai été membre du comité qui a constitué un dossier de demande de création d' un réseau d' excellence " Network of Excellence " auprès de CEE en 2003 . La thématique de ce NoE était contrôle de l' automobile pour des véhicules efficaces et propres " Automotive Control for Efficient and clean vehicles " . Entre autres membres , on notera la présence de L. Guzzella , L. Nielsen , G. Rizzo , G . Gissinger , U. Kiencke , ... Ce dossier n' a malheureusement pas eu l' accueil escompté auprès de CEE car jugé hors thématique . Cependant , il a permis de renforcer et de créer des liens qui s' illustrent aujourd'hui par des collaborations avec l' ETH de Zürich ou l' UHA de Mulhouse . 1.5.2 . 2 IFAC TC7 " Automotive Control " En 2005 j' ai été invité à devenir membre du Technical Committee 71 - Automotive Control de l' IFAC . http L' IFAC société savante en automatique propose par ce comité d' améliorer les systèmes de transport . Ce groupe veut , sur cette thématique , favoriser l' échange entre chercheurs du monde entier et l' émergence d' idées nouvelles . Il organise en particulier le symposium IFAC on " advances in automotive control " 1.5.2 . 3 Projet PANH ( ANR 2006 ) Dans le cadre de PANH ( Plan d' Action National sur l' Hydrogène et les piles à combustible , Appel à Projets 2006 ) , j' ai contribué à la rédaction du projet H2MCI ( Hydrogène et Moteur à Combustion Interne ) pour " le développement intégré et générique de conversion de véhicules conventionnels à l' hydrogène " . Ce projet est coordonné par B. Ould Bouamama du LAGIS de Lille . Les partenaires de ce projet sont le LAGIS de Lille , le LAMIH de Valenciennes , le LME de Valenciennes , le LME d' Orléans et les sociétés H 2 -dév , EMD , Sherpa Engineering , Gand , GDF , FUPL , CRITT M2A et Air Liquide . La conversion de moteurs à combustion interne fait l' objet de différents travaux de constructeurs et d' équipementiers , qu' il s' agisse d' hydrogène pur ( BMW , Ford , MAN ) ou de mélanges d' hydrogène et de gaz naturel ( Cummins Westport , Irisbus / Iveco ) . Cette voie est viable à court terme tout en permettant de préparer une arrivée de la pile à combustible en terme d' infrastructure et d' acceptation du public . L' objectif du projet H2-MCI est de développer un système intégré et générique de conversion de moteurs à combustion interne à l' hydrogène . Le système intègrera l' optimisation de la combustion , le contrôle du moteur et la gestion globale de la sécurité du véhicule . 1.5.2 . 4 Projet GenFlex ( ANR 2006 ) Dans le cadre du PREDIT - GO8 " Véhicules Propres et Economes " ANR / ADEME , j' ai contribué à la rédaction du projet GenFlex-MCI ( développement Générique et Flexible de commande et de diagnostic de Moteurs à Combustion Interne ) . Ce projet est coordonné par B. Ould Bouamama du LAGIS de Lille . Les partenaires de ce projet sont le LAGIS de Lille , le LAG de Grenoble , le LAMIH de Valenciennes , le LME d' Orléans , le LSIS de Marseille , et les sociétés H 2 -dév - Lille , Sherpa Engineering , et Horizon GPL . L' objectif du projet GenFlex-MCI est de développer un système générique de conversion de moteurs à combustion interne à différents carburants alternatifs , liquides ou gazeux ( biogaz , GNV , hydrogène ) . Le système intègrera de façon innovante l' optimisation de la combustion , le contrôle du moteur et la gestion globale de la maintenance prédictive et de la sécurité du véhicule et de l' environnement . Il doit permettre le fonctionnement en bicarburation essence ou carburants alternatifs sans modifier les fonctionnalités des calculateurs déjà embarqués à bord du véhicule . 1.5.2 . 5 Groupe de Travail Commande Prédictive Je suis membre du groupe de travail " Commande Prédictive Non Linéaire " du GdR MACS . Il est à noter que Guillaume Colin a été invité à présenter son travail sur le contrôle prédictif neuronal linéarisé d' un moteur à allumage commandé suralimenté lors des Journées nationales du GdR MACS à Lyon en 2005 . 1.5.2 . 6 Groupe de Travail Automatique et Automobile Depuis sa création , en 2003 , sous l' impulsion d' Alain Oustaloup j' ai participé au groupe de travail " Automatique et Automobile " du GdR MACS . Dans ce cadre , j' ai été invité en novembre 2004 à présenter une conférence plénière sur le sujet " Contrôle des moteurs à combustion interne - Problématique et perspectives " . Ce groupe propose deux réunions de travail par an , l' une au printemps , l' autre à l' automne . J' organiserai la première rencontre de 2007 , conjointement avec le LVR de Bourges . 1.5.3 Divers Depuis 2001 , je suis correspondant pour mon UFR de rattachement ( Polytech'Orléans , précédemment l' ESEM ) auprès de la bibliothèque de l' université d' Orléans . Dans ce cadre je suis responsable des propositions d' achats d' ouvrages , d' abonnement ou d' adhésion à des fonds documentaires ou base de données . Un accès en ligne à l' intégralité des Techniques de l' Ingénieur a pu d' ailleurs être mis en place . Je suis responsable des fonds documentaires et de l' ensemble des abonnements ( revues , périodiques , ... ) de Polytech'Orléans . Depuis 2003 , je suis membre du groupe " Tice et Foad " de Polytech'Orléans . Ce groupe a en charge , entre autre , l' intégralité des moyens et ressources informatiques de Polytech'Orléans . Dans ce groupe j' ai participé à la redéfinition totale des besoins matériels et logiciels de Polytech'Orléans . Il a ainsi été mis en place 8 salles informatiques ( postes neufs , bureaux sur mesure , video-projecteur , video-surveillance , ... ) pour un accès libre 24h / 24h. Depuis 2003 , je suis membre élu du conseil d' administration de Polytech'Orléans . Je suis depuis mars 2004 membre élu de la commission de spécialistes mixte 61 - 63 de l' université d' Orléans . 1.6 RESUME J' ai soutenu ma thèse de doctorat en automatique en 1996 à l' Université de Mulhouse . Après une année d' ATER j' ai été nommé en 1997 Maître de Conférences à l' Université d' Orléans . J' ai intégré en 2002 le Laboratoire de Mécanique Energétique et suis titulaire de la PEDR depuis 2003 . Ma thématique de recherche est la modélisation , l' analyse des systèmes complexes pour la synthèse de commandes et/ou d' observateurs avec comme application principale le contrôle des moteurs à combustion interne . J' ai notamment co-encadré 6 thèses ( 270 % de taux d' encadrement ) . J' ai participé à 2 ouvrages , 17 publications , 36 communications et 5 brevets . Dans le cadre de collaborations avec des industriels j' ai géré un budget total de 287280 & 226;& 130;& 172;. Mon enseignement débuté en 1992 en tant que moniteur a toujours été et est encore constitué principalement de cours d' automatique , de contrôle de systèmes de l' automobile et d' informatique . Mes responsabilités et implications administratives sont diverses et touchent aussi bien l' université , mon laboratoire de recherche le LME que mon UFR de rattachement . On peut noter en particulier la création en 2005 d' un master international Duby en " global automotive engineering " . 2 ACTIVITES DE RECHERCHE 2.1 INTRODUCTION L' automatique science à la vocation transversale se doit d' être au service de ... J' entends par là que la justification même de l' existence de l' automatique est bien liée à une volonté d' améliorer un comportement . Bien entendu les aspects fondamentaux se doivent d' être résolu et traité en toute indépendance de l' une ou l' autre application . Par contre dans tout développement l' objectif final ne doit pas être perdu . L' automobile ( et plus largement les moyens de transport ) est aujourd'hui une source inépuisable de sujets pour l' automatique , éminemment complexes à résoudre . L' automobile est aujourd'hui un lieu privilégié pour confronter les développements théoriques à la réalité de l' application . L' amélioration de la sécurité , la réglementation et les normes , l' accroissement continuel des exigences de performance contraignent sans cesse l' automobile à s' améliorer . Dans cet espace automatique et automobile , beaucoup de développements et de solutions sont à apporter . Sans en donner toutes les caractéristiques , on peut d' emblée dire que les systèmes rencontrés sont complexes , non-linéaires , parfois à retard , instationnaires , multi-variables , etc. Dans un environnement parfois bruité , pauvre en capteurs et où les actionneurs faible coût sont limités , il faut néanmoins répondre à des contraintes de performance fortes . Les travaux présentés ici montrent les nécessaires étapes de modélisation ( ou d' identification ) , de réduction de modèle ( ou de linéarisation ) , pour le développement soit d' observateurs soit de lois de commande . Dans un premier temps , la commande adaptative et l' identification étaient au coeur de mes travaux de thèse . Puis , les notions de modèle interne et de robustesse sont devenues de plus en plus présentes , pour très vite se concrétiser en 2 traits forts : les modèles non linéaires ( en particulier les réseaux de neurones ) et leur linéarisation et les commandes à base de modèles pour les systèmes rapides complexes . Du point de vue des applications ( automobile , moteur à combustion interne , avionique ) , l' idée directrice est relativement simple à exprimer : améliorer les performances , réduire la consommation , réduire la pollution , mais , comme on le verra , elle est très complexe à résoudre . Chacun de ces points seront développés dans les paragraphes suivant . Pour cela , quand cela fut le cas , il sera fait essentiellement référence aux travaux de thèse que j' ai encadrés . 2.2 PARCOURS J' ai commencé mes travaux de recherche à Mulhouse au sein du laboratoire de Modélisation d' Identification en Automatique et Mécanique ( MIAM ) . J' y ai conduit des travaux de modélisation et d' identification des systèmes complexes , ceci dans le domaine de la dynamique véhicule et du contrôle de freinage . J' ai soutenu ma thèse de doctorat sous le titre " Modélisation et Identification de systèmes complexes . Application à des véhicules routiers en vue de l' étude d' un nouveau système de freinage " en 1996 . Après une année d' A.T.E.R à Mulhouse , j' ai été nommé Maître de Conférences à l' université d' Orléans . J' ai intégré le Laboratoire d' Automatique et de Mécanique Appliquée ( L.A.M.A ) qui était en réalité un regroupement de chercheurs isolés désirant développer la structure pour la faire reconnaître . Durant cette période , j' ai développé des travaux de recherche en collaboration avec les chercheurs du Laboratoire de Mécanique et d' Energétique ( L.M.E ) sur la modélisation et le contrôle des moteurs à combustion interne . En 2002 lorsqu' il fut refusé demandé aux membres du L.A.M . A d' intégrer une équipe d' ores et déjà constituée , j' ai naturellement intégré le L.M.E . L' automobile existe depuis le 19ième siècle , mais , longtemps , les aspects énergétique et écologique ont été relégués au second plan . En 1972 , les premières lois portant sur la réduction des émissions polluantes sont apparues . Dès lors l' exigence à répondre aux normes , tant en terme de pollution que de sécurité , est devenue primordiale et est aujourd'hui l' élément majeur qui conduit et motive les développements de l' automobile . Les solutions heuristiques pour l' optimisation des motorisations , jusqu'à présent défendues par les constructeurs , atteignent aujourd'hui une limite . Les normes sur la réduction des émissions polluantes deviennent elles tellement drastiques que , sans une rupture tant du point de vue de l' architecture moteur ( downsizing , hybridation , pile à combustible , ... ) que du point de vue du contrôle , il n' est plus possible de répondre aux futures normes ( EURO V ) . Ainsi le cadre principal d' application de mon activité de recherche porte sur l' optimisation du système moteur à combustion . Il est important de souligner qu' il serait plus juste de parler de système " producteur de couple " . En effet , on considère bien le système moteur dans son ensemble et ceci inclut aussi bien la combustion et les éléments conditionnant son comportement , la chaîne d' air , le système d' injection , que le système de post-traitement et aussi les éventuels éléments de son hybridation . Dans ce cadre , j' ai développé des travaux dans les 3 thèmes suivants : * la modélisation , * l' estimation , * le contrôle commande . Mes travaux ont toujours visé à appliquer les étapes nécessaires de modélisation et d' estimation pour enfin élaborer une loi de commande répondant à la problématique posée . C' est donc de façon cohérente que pour le système moteur à combustion les travaux suivants ont été conduits : * la modélisation des moteurs à allumage commandé ( thèse de V. Talon ) , * la modélisation des moteurs à allumage par compression ( thèse de T. Jaine ) , * la modélisation des moteurs hybride pneumatique ( thèse de I. Vasile , DEA de A. Ivanco ) , * l' estimation des masses et espèces admises dans le cylindre ( air , EGR , résiduels ) , ( thèse de P. Giansetti , DEA de C. Beltrami , G. Colin et N . Mahmoud ) , * l' estimation des frottements mécaniques dans un moteur à combustion , * le contrôle des moteurs à allumage commandé ( thèse de G. Colin , DEA de T . Jaine ) . Dans le cadre général du développement des moteurs , de leur architecture , de leur environnement et de leur contrôle , mes travaux , les sujets de thèses proposés et encadrés entrent tous , de façon cohérente , dans une volonté de répondre à la problématique d' optimisation du système moteur à combustion . Parallèlement , je n' ai pas abandonné mes travaux sur les systèmes de transport . Notamment , dans la continuité de mes travaux de thèses , en collaboration avec le laboratoire MIPS ( UHA - Mulhouse ) , je co-encadre la thèse d' Arnaud Jacquet sur le contrôle du freinage d' un avion gros porteur . Là aussi la démarche est celle de la modélisation , de l' estimation et du contrôle . C' est donc de manière plus ou moins soutenue selon les années , mais néanmoins de façon continue , que j' ai orienté et conduit mes travaux de recherche en modélisation et contrôle commande dans le domaine de l' automobile et des transports . 2.3 PRESENTATION SYSTEME MOTEUR Ce travail de modélisation et de contrôle commande ne peut se faire sans une bonne connaissance du système . Ceci est particulièrement vrai dans le cas du contrôle moteur . En effet , un moteur à combustion interne est un système éminemment complexe . Il n' est pas pour autant le lieu ici d' entrer dans le détail du fonctionnement des moteurs à combustion . Il existe de nombreux ouvrages présentant en détail le fonctionnement des moteurs à combustion , entre autre [ HEY 88 ] , [ GIS 02 ] , [ GUZ 04 ] , [ KIE 00 ] , [ SWO 84 ] . Cependant , il est bon ici de faire état d' applications innovantes pour lesquelles une contribution particulière a été apportée : le downsizing , les nouveaux modes de combustion et la motorisation hybride . 2.3.1 La réduction de la cylindrée ou downsizing Le principe du downsizing ( littéralement la réduction de la cylindrée des moteurs ) réside dans le déplacement , à iso-performance , des points de fonctionnement moteur vers des zones à meilleur rendement [ LEC 03 ] Le downsizing est efficace et prometteur à court terme s' il utilise des technologies connues , comme la distribution variable et le turbocompresseur . La Figure 1 [ LED 03 ] illustre l' effet du downsizing sur la consommation spécifique ( g / KWh ) en fonction du point de fonctionnement moteur . Ce dernier est souvent défini en fonction du régime moteur ( tr / min ) et de sa charge ( PME , en MPa ) . Pour un moteur conventionnel atmosphérique ( Figure 1 haut ) , les points de meilleur rendement se situent à pleine charge ( zone claire ) alors que pour un moteur typé downsizing ( Figure 1 bas ) , les points de meilleur rendement se situent plutôt à mi-charge . Comme la plupart des conditions " normales " de conduite sont à moyenne voire basse charge ... Le downsizing , compte tenu de la réduction de cylindrée , permet alors d' obtenir un gain significatif sur la consommation . Pendant ces phases et pour les moteurs à allumage commandé atmosphériques , le rendement moteur est alors médiocre notamment à cause des pertes par pompage , d' où le recours à la turbocompression . On peut alors utiliser [ SOL 00 ] soit un compresseur volumétrique soit un turbocompresseur . Le turbocompresseur , qui prélève de l' énergie dans les gaz d' échappement , offre un meilleur rendement énergétique que le compresseur volumétrique tout en offrant un niveau de couple important . Ses deux principaux inconvénients sont toutefois la nécessité de protéger thermiquement la turbine lors d' un fonctionnement à pleine charge ( souvent en dehors du cycle normé ) et le temps de réponse , lors d' une variation de charge moteur . Afin de réduire ce temps de réponse plusieurs systèmes peuvent être utilisés , un embrayage piloté [ FRE 04 ] , une turbine à géométrie variable ( indisponible sur les motorisations essence pour des raisons de tenue thermique des matériaux ) , un turbocompresseur à relance électrique ( même remarque ) ou la distribution variable . Figure 1 : Consommation spécifique ( g / kWh ) d' un moteur ( conventionnel en haut et downsizé en bas ) à essence en fonction du régime moteur ( tr / min ) et de la Pression Moyenne Effective ( en MPa ) La distribution variable qui permet en outre de réduire encore la consommation et les émissions polluantes [ MIL 03 ] . Il existe plusieurs types de distribution variable ( par ordre de complexité croissante ) : les déphaseurs d' arbre à cames , les distributions contrôlables en phasage , les distributions contrôlables en levée et les distributions complètement variables comme les soupapes électromagnétiques . La distribution complètement variable , actuellement coûteuse , permet d' améliorer fortement les performances globales du moteur ( consommation , émission polluantes ) [ HON 04 ] Toutefois , les déphaseurs d' arbre à cames permettent d' obtenir un bon compromis entre le coût et le gain en terme de consommation et de pollution . Seule l' indépendance à l' admission et à l' échappement permet d' envisager des stratégies intéressantes . Le downsizing utilise des technologies connues ( Figure 2 ) le turbocompresseur , la distribution variable , l' injection directe , le catalyseur trois voies . Le principal inconvénient du downsizing est toutefois le temps de réponse du turbocompresseur , la difficulté étant la gestion conjointe du papillon , de la vanne de décharge du turbocompresseur et de la distribution variable admission et échappement . Le concept du downsizing soulève des problèmes ouverts de modélisation , d' estimation et de contrôle . 2.3.2 Nouveaux modes de combustion Le moteur à combustion interne idéal devrait avoir les faibles pertes , le haut rapport volumétrique , la faible dispersion cyclique du moteur à allumage par compression et le bon rendement mécanique du moteur à allumage commandé . Il devrait aussi présenter de faibles émissions d' imbrûlés et réaliser la combustion en phase gazeuse pour éviter la formation de particules . Deux nouveaux concepts sont actuellement à l' étude : le moteur à allumage commandé à injection directe ( Gasoline Direct Injection GDI ) et le moteur à allumage par compression en phase homogène ( Homogeneous Charge Compression Ignition HCCI ) . Le moteur à allumage commandé à injection directe , ou encore moteur GDI , part du concept du moteur à allumage commandé et essaie de se rapprocher du moteur Diesel . L' objectif est de fonctionner en mélange pauvre , pour diminuer le travail de pompage . La charge du moteur est déterminée par la quantité de carburant injectée . Cependant compte tenu du mécanisme d' allumage , il est nécessaire de stratifier le mélange carburé , de manière à obtenir une zone riche au voisinage de la bougie au moment de l' allumage . Avec un moteur à allumage commandé à injection directe , plusieurs modes de fonctionnement sont possibles . Figure 2 : Schéma général du moteur à essence suralimenté avec déphaseurs d' arbre à cames * Le mode homogène stoechiométrique est nécessaire dans les pleines charges ou plus exactement pour l' ensemble des points de fonctionnement pour lesquels le mode stratifié n' est pas stable . * Le mode homogène pauvre est utilisé dans les charges moyennes . L' objectif est de maximiser le rendement , la richesse peut être réduite jusqu'à 0 , 8 : le couple est alors contrôlé par la richesse . Pour minimiser les pertes par pompage et les émissions d' oxydes d' azote , il est nécessaire de recourir à la recirculation des gaz brûlés . * Le mode stratifié est utilisé pour les faibles charges . Pour ces points de fonctionnement , il n' est plus possible de réaliser le contrôle du couple en jouant sur la richesse d' un mélange homogène , car il faut atteindre des richesses moyennes très inférieures à la limite d' inflammabilité ( de l' ordre de 0 , 3 ) . Il est alors nécessaire de recourir à la stratification du mélange . Pour stratifier la charge , l' injection est réalisée très tard dans le cycle , ne laissant alors pas le temps au jet de carburant de se mélanger avec la charge d' air . Là encore , l' utilisation de la recirculation de gaz brûlés permet de réduire les pertes par pompage et les émissions d' oxydes d' azote . Dans le premier mode , le catalyseur à trois voies fonctionne normalement et en continu . Dans les deux derniers modes , pour réduire les oxydes d' azote , il faut ajouter un piège à NOx dans la ligne d' échappement . Le piège à NOx nécessite un passage périodique en mode riche pour se recharger en produits réducteurs sous peine de compromettre son rendement de conversion . Cette commutation de mode de fonctionnement devant être transparente pour l' usager , il est nécessaire de commander simultanément la masse d' air admise , la quantité d' EGR , la richesse et le phasage d' injection de manière à préserver un couple constant . A l' inverse du moteur GDI , le moteur HCCI part du concept du moteur Diesel . L' objectif est ici de conserver l' auto - allumage du moteur Diesel , mais de remplacer la combustion de diffusion autour des gouttelettes de carburant par une combustion en phase gazeuse pour éviter la formation de particules de suie . La solution est alors de réduire le rapport volumétrique et de ralentir la combustion en la diluant avec des gaz neutres . Le moteur HCCI est généralement utilisé avec des taux d' EGR élevés ( 20 à 50 % ) et donne les meilleurs résultats en mélange pauvre ( < 0 , 8 ) . Ce type de moteur est très instable . Le taux d' EGR doit être très précisément maîtrisé , à défaut l' auto-inflammation " dégénère " et devient destructrice . Le moteur essence à injection directe fonctionne , c' est une réalité , mais avant d' en tirer pleinement profit , il existe de nombreux problèmes de contrôle à résoudre : globalement connaître parfaitement les quantités et espèces des gaz admis , maîtriser et piloter l' ensemble des changements de modes ( de fonctionnement ou de dépollution ) à iso-couple . 2.3.3 Moteurs hybrides Les véhicules hybrides ont vu le jour pour combler les déficiences du stockage de l' énergie électrique par batterie . Pour minimiser les émissions polluantes tout en maximisant le rendement global moyen , plusieurs conditions doivent être remplies . * Le générateur de puissance doit fonctionné sur des points de fonctionnement optimisés pour minimiser les émissions polluantes et la consommation . Il vaut mieux par exemple utiliser le moteur thermique à pleine charge et par intermittence pour charger l' unité de stockage d' énergie . * L' énergie cinétique du freinage doit pouvoir être récupérée et stockée , pour être consommée à l' accélération suivante . * Le générateur de puissance principal doit être dimensionné le pour une puissance moyenne plutôt que pour la puissance maximale . Cette approche permet d' optimiser le rendement et de réduire la taille du moteur thermique ( downsizing ) . * Le véhicule doit pouvoir fonctionner dans un mode zéro - émissions en zone urbaine , quitte à recharger les dispositifs de stockage d' énergie hors agglomération . Les véhicules hybrides répondent à ces préoccupations . Dans leur principe , les véhicules hybrides combinent un ou plusieurs dispositifs de stockage réversible d' énergie ( batterie , ultra - capacité , volant d' inertie , réservoir pneumatique ) , un ou plusieurs générateurs de puissance mécanique ( moteur à allumage commandé ou à allumage par compression , turbines à gaz , piles à combustible et moteur électrique ) et un système de propulsion . Outre le choix de la meilleure configuration , la difficulté d' une solution hybride est bien entendu la recherche de la gestion optimale en temps réel de la ressource énergétique . Les champs d' application " moteur " principaux ayant été vu , nous allons maintenant présenter succinctement le contrôle moteur et surtout l' approche défendue . 2.4 LE CONTROLE MOTEUR Le contrôle moteur est le système de pilotage qui doit assurer le fonctionnement " nominal " du moteur , sous les contraintes d' intégration du moteur au sein du véhicule , les exigences , explicites et implicites , du conducteur ( consommation , agrément de conduite ) et les contraintes environnementales ( pollution , bruit ... ) . Il est difficile de décrire en détails tous les enjeux , toutes les spécificités , les difficultés , les contraintes du contrôle moteur et seules quelques indications sont données ici . Les ouvrages [ GUZ 04 ] , [ KIE 00 ] , [ GIS 02 ] font références dans le domaine . La décomposition fonctionnelle du contrôle moteur est la suivante . * Le conducteur via la pédale d' accélérateur fixe la consigne en " motricité " du véhicule . * Le contrôle moteur gère la demande du conducteur en la couplant à l' agrément de conduite et en lui associant les contraintes ( émissions et consommation ) * Le contrôle moteur réalise ensuite le volet de contrôle dynamique du moteur . Les stratégies de contrôle représentent l' élément de prise de décision au sein du contrôle moteur . Une stratégie doit retranscrire l' action du conducteur sur la pédale d' accélérateur suivant ses attentes dans un souci global d' agrément de conduite . La stratégie proposée , qui se généralise actuellement , est une stratégie de pilotage en couple dans une architecture hiérarchisée [ VEN 94 ] [ COR 96 ] comportant plusieurs blocs ( Figure 3 ) . * Un bloc A de pilotage des Actionneurs . Ceux ci sont spécifiques à la technologie du moteur piloté . * Un bloc E ( Energie ) qui assure le contrôle de l' apport énergétique donné au moteur ( la charge ) . Classiquement il est conditionné par la quantité d' air et la quantité d' essence entrant dans le cylindre . * Un bloc C ( Contrôle ) qui contrôle l' ensemble des grandeurs de commande du moteur afin de fournir le travail demandé sous les contraintes de pollution qui sont données . * Un bloc M ( Moteur ) qui prend en compte les exigences exprimées au niveau du véhicule pour définir la consigne de couple et les contraintes de consommation et d' émissions dictées par l' environnement externe . * Un bloc V ( Véhicule ) de supervision qui gère toutes les stratégies de conduite et l' interface avec les autres éléments de commande ( boîte de vitesse , anti-patinage ... ) . Plusieurs avantages découlent d' une approche hiérarchisée de la commande . Tout d' abord , la modularité introduit une robustesse , une adaptabilité et une possibilité de diagnostics accrue . Avec ce type de commande , le moteur est piloté comme une source de couple , avec une contrainte sur la consommation et les émissions de polluants ( le moteur reçoit une consigne en couple et le contrôle moteur y répond en satisfaisant les contraintes en consommation et en émissions ) . Toutes les stratégies sont dès lors portables , et ne dépendent plus du moteur ( ceci se généralise au niveau des organes moteur ) . De façon parallèle , il n' y a pas de caractéristiques propres au véhicule qui viennent interférer dans la commande du moteur . La seule grandeur échangée entre le véhicule et le moteur est celle du couple désiré , pondéré par une contrainte sur les polluants . Figure 3 : architecture hiérarchisée de contrôle en couple d' un moteur à combustion . Le bloc de contrôle est bien entendu notre priorité . Pour les moteurs à allumage commandé le contrôle doit être découpé en trois modules principaux : * un module de formation du mélange air - essence , o Contrôle des circuits d' air frais , de gaz résiduels , de gaz brûlés . o Contrôle du système d' injection , * un module de combustion pour l' allumage , * un module de post traitement . Les innovations concernant le moteur essence , telle l' injection directe , la suralimentation , la distribution variable , l' hybridation , augmentent notablement le nombre de degrés de liberté de pilotage du système global et donc complexifie le contrôle . De plus les exigences et les risques varient selon le mode de fonctionnement ( homogène , stratifié ) et l' architecture ( suralimenté , à distribution variable , ... ) du moteur . Ceci implique que le contrôle doit être aisément adaptable . Pour les nouvelles générations de moteur à allumage par compression à rampe commune ( common rail ) , les exigences de contrôle deviennent comparables à celles des motorisations essence . Les objectifs étaient les mêmes , la réduction de la consommation et respect des normes , avec en plus : le gommage du typage diesel ( plus de brio , moins de bruits et vibrations ) . Pour cela , le contrôle moteur diesel se découpe selon : * un module de remplissage en air , o contrôle de la pression de suralimentation ( turbo ) , o contrôle du taux de re-circulation de gaz brûlés ( EGR ) , * un module de dosage en carburant , o contrôle très précis de la masse injectée. * un module de post traitement , o gestion du filtre à particules . L' analyse du fonctionnement des moteurs à combustion , permet de mettre en avant des points essentiels , aujourd'hui , du contrôle moteur . La présentation synthétique ( Table 1 ) fait apparaître explicitement que si les motorisations " essence " et " diesel " répondaient à des modes de fonctionnement différents et engendraient des problématiques différentes , il en est bien autrement aujourd'hui . En effet , les normes exigent un tel niveau de performance du mécanisme de transformation de l' énergie chimique en énergie mécanique que chaque étape de ce processus doit être parfaitement maîtrisé et contrôlé . Aussi dans chacun des cas , des problématiques identiques apparaissent : * connaître la quantité et la nature des masses et espèces admises dans le cylindre , * gérer parfaitement les modes de fonctionnement et leurs commutations à iso-couple . Pour les solutions hybrides s' ajoutent les problématiques de recherche de : * la meilleure architecture ( GMP et véhicule ) , * la stratégie optimale de gestion de la ressource énergétique . Allumage commandé Allumage par compression Admission " air " Estimation prédiction et contrôle de la masse et des espèces admises ( frais , EGR , IGR ) Contrôle de la pression de suralimentation et du taux de dilution ( EGR ) Alimentation carburant Contrôle de la pression d' alimentation , du phasage et de la durée d' injection Contrôle de la richesse cylindre à cylindre Contrôle de la pression d' alimentation , du phasage et de la durée d' injection et du nombre d' injections Combustion Gestion des commutations de modes à iso-couple Prise en compte des limites de fonctionnement Gestion des commutations de modes à iso-couple Prise en compte des instabilités et limites de fonctionnement Post-traitement Gestion des commutations de modes à iso-couple , Diagnostic Gestion des commutations de modes à iso-couple et des post-injections , Diagnostic Table 1 : Points à retenir pour le contrôle moteur . La recherche d' un modèle étant à la base de toute démarche de recherche d' une solution de contrôle , logiquement nous présentons dans le chapitre suivant nos travaux sur la modélisation et l' identification de systèmes complexes . 2.5 MODELISATION - IDENTIFICATION L' idée n' est pas d' imaginer un utopique modèle unique qui offre à la fois une description microscopique de chaque élément tout en offrant les performances et précisions juste nécessaires pour une description macroscopique . L' idée est bien plus de développer un environnement , cohérent dans son ensemble , de description du système considéré . Il faut ainsi imaginer un ensemble de modèles microscopiques très descriptifs et des modèles " système " plus ou moins macroscopiques en fonction de l' objectif visé qui se nourrissent des données , connaissances , etc. apportées par les modèles microscopiques . La première classe de modèles est nécessaire pour avoir une description fine , pertinente et précise du système . La deuxième classe de modèles est utile notamment pour toute commande à base de modèle . Un premier objectif donné à la modélisation est donc de développer des modèles de systèmes pouvant être utilisés aussi bien pour l' analyse et la compréhension de phénomènes , que pour l' optimisation paramétrique du système physique . Ces modèles offrent une base saine pour l' élaboration de modèles pour la commande par réduction , linéarisation , apprentissage , ... Un moteur à combustion interne est , dans une vision globale , un système énergétique permettant de transformer l' énergie chimique du carburant mélangé à l' air ambiant en énergie mécanique sur l' arbre moteur . Pour établir un modèle réaliste du moteur à combustion interne , il est possible d' avoir recours aux équations de l' aérodynamique pour les écoulements tridimensionnels instationnaires turbulents internes et externes à la chambre de combustion , aux équations de la chimie pour la phase combustion ( souvent des centaines de réactions ) , etc. Ces modèles existent , mais engendrent des temps de calcul et des difficultés de paramétrisation tels qu' ils ne sont pas utiles dans notre démarche . Deux classes de simplifications ont été introduites pour obtenir un compromis précision vitesse de calcul plus favorable [ HIG 00 ] . * Le modèle quasi - dimensionnel ( mono ou multi - zone ) : chaque zone est considérée comme homogène , les phases de transvasement et de combustion sont calculées en fonction du temps uniquement . Un tel modèle permet de reproduire , de façon fiable , le comportement du moteur . * Le modèle moyen : on considère que toutes les grandeurs du cycle sont constantes et égales à leur valeur moyenne durant le cycle . Ce modèle très simplifié peut fonctionner en temps réel . Bien que les moteurs paraissent avoir , globalement , un mode de fonctionnement continu , il s' agit en réalité d' une succession de cycles quasiment indépendants entre eux . La mémoire cycle à cycle du moteur n' est composée que de deux aspects : * l' état thermique des parois de la chambre de combustion. * le taux de gaz résiduels du cycle précédent . Si l' on néglige ces deux aspects , le moteur peut être décrit par une série de relations explicites sans dépendance en temps , c' est le modèle moyen . Il est à noter que cette hypothèse ne peut plus être considérée pour les nouvelles architectures ( telle la distribution variable ) ou avec les nouveaux modes de combustion ( GDI , HCCI , ... ) . Le modèle moyen [ MOS 88 ] [ STE 97 ] admet que toutes les grandeurs d' entrée et de sortie du moteur sont constantes et égales à la valeur moyenne du cycle durant le cycle . Le modèle moyen est alors composé essentiellement de deux tables de calibration : couple et remplissage en fonction du régime et de la charge . Pour un moteur à allumage commandé , la dynamique du moteur se situe dans la pipe d' admission et se compose de la dynamique de l' air et de la dynamique du carburant . La dynamique de l' air peut être décrite par le modèle de remplissage - vidage qui exprime le bilan de masse d' air dans la pipe d' admission et permet de calculer le débit à la soupape en fonction des autres paramètres , à partir de la relation des gaz parfaits . La dynamique du carburant exprime le fait que la masse de carburant injectée n' est pas instantanément admise dans la chambre de combustion du moteur . La dynamique du carburant est modélisée par le modèle de film d' Aquino [ AQU 81 ] . Une fraction de la masse de carburant injecté est capturée par la paroi et une fraction de la masse du film est vaporisée ou arrachée . La masse réellement admise dans le cylindre est donc la somme de la fraction non capturée par la paroi et de la fraction arrachée au film . Ce modèle simple , s' il est bien paramétré , donne une bonne approximation de la réalité sur moteur . Pour un moteur à allumage par compression , l' injection de carburant est réalisée directement dans la chambre de combustion . Par conséquent , il n' y a pas de dynamique du carburant . De plus , ce type de moteur est dépourvu de papillon dans la ligne d' admission il n' y a donc pas de dynamique de l' air d' admission ( en l' absence de suralimentation ) . Par conséquent , le comportement est beaucoup plus simple : il est en effet possible de contrôler directement , cycle à cycle , le couple et les émissions de polluants en jouant sur la quantité de carburant injectée et sur le séquencement de l' injection , sans utiliser de modèles de la dynamique de l' air et du carburant pour prédire le cycle à venir . Cependant les moteurs à allumage par compression sont aujourd'hui dans leur grande majorité suralimentés par un turbocompresseur . Dans ce cas la dynamique d' admission d' air est complètement liée au turbocompresseur . Ce dernier est un organe très délicat à modéliser [ MIC 01 ] . Un turbocompresseur est constitué de deux éléments , le compresseur et la turbine , et comporte une soupape de décharge ( waste - gate ) pour contrôler la pression de suralimentation . En l' absence de travaux de synthèse , les thèses de T. Jaine et de V. Talon ont établi un état de l' art sur la modélisation de la combustion des moteurs à allumage commandé ou des moteurs à allumage par compression pour le contrôle . Nous disposons ainsi aujourd'hui d' un ensemble de modèles qui ont été analysés , testés et comparés . Cet ensemble est aujourd'hui un élément précieux et fort utile pour bon nombre de nos travaux . Par ailleurs , en 2001 , nous avons proposé un nouveau concept de moteur hybride pneumatique ? [ 14 ] , pour lequel nous avons déposé un brevet en 2002 ? [ Br 5 ] . Ce concept innovant combine un moteur à combustion interne avec un sous-ensemble pneumatique constitué d' un convertisseur et d' un réservoir d' air comprimé . L' étude de faisabilité , la simulation et le prototypage de ce concept ont fait l' objet de la thèse de doctorat de I. Vasile . D' autres travaux ont pu porter également sur la modélisation des frottements dans les moteurs ? [ 44 ] , sur la modélisation de l' interdépendance moteur - transmission continûment variable ( CVT ) , sur la modélisation d' actionneurs , etc . Dans la suite nous focaliserons sur les travaux portant sur la modélisation de la combustion et sur le concept d' hybride pneumatique . 2.5.1 Combustion Le coeur du fonctionnement d' un moteur à combustion est bien entendu la combustion . En effet c' est elle qui conditionne à la source la production de couple , la consommation , la pollution , etc. On peut présenter un moteur à combustion comme étant un ensemble d' éléments dont le but est de préparer et d' amener les conditions nécessaires à la combustion et si besoin de la provoquer . Aussi , dans un objectif de contrôle , il est nécessaire de s' intéresser aux éléments conditionnant la combustion , ceux que l' on souhaite contrôler , mais également à la combustion elle-même . 2.5.1 . 1 Combustion moteur à allumage par compression La thèse de T. Jaine " Simulation zéro-dimensionnelle de la combustion dans un moteur Diesel à injection directe " a eu pour but de faire un état de l' art des modèles permettant de décrire le phénomène de combustion dans un moteur à allumage par compression , mais en ne considérant que les modèles propres à servir un but de contrôle . Ainsi l' attention s' est portée sur des modèles intermédiaires entre les modèles multidimensionnels physiques et les modèles empiriques boîte noire trop simples . A partir de la bibliographie existante , il a été établi trois classes principales de modèles de combustion diesel : * modèles phénoménologiques simples , * modèles à turbulence simplifiée , * modèles multi-zone . Pour chacune de ces classes , plusieurs modèles ( du plus simple au plus complexe ) ont été caractérisés , adaptés et comparés soit à des codes de calcul 3d , soit à des essais expérimentaux . Ainsi il a été établi pour chacun des modèles leur domaine de validité , leur précision , leur charge de calcul nécessaire . Ce travail offre une famille de modèles propre à faciliter l' optimisation de l' inévitable compromis performance / précision à réaliser dans le cadre d' un contrôle à modèle interne de la combustion d' un moteur à allumage par compression . Ce travail a donné lieu à plusieurs publications et communications ? [ 30 ] ? [ 31 ] ? [ 53 ] . Il a été montré que les modèles de combustion basés sur les phases de Wiebe [ WIE 70 ] [ MIY 85 ] n' ont pas , de par leur formalisme , un caractère universel . Les coefficients intervenant dans ces modèles doivent être ajustés pour chaque point de fonctionnement mais peuvent également être renseignés par des modèles de combustion plus complexes . En toutes circonstances , ces modèles sont peu coûteux en temps de calcul . Ces modèles de combustion semblent être de bons candidats pour servir de modèles de référence pour des applications embarquées . Les modèles de combustion à turbulence simplifiée , à une zone avec ou sans délai d' auto-inflammation [ BAR 00 ] [ CHM 99 ] , peuvent eux être considérés comme génériques . En effet , les paramètres des modèles de combustion à une zone ne sont plus soumis à un recalage systématique , sur le point de fonctionnement , comme ceux des modèles de combustion phénoménologiques . Ces modèles tiennent compte du régime et de la turbulence générée uniquement par le taux d' introduction . Les autres sources de turbulence , comme le swirl et le squish ne sont pas prises en compte . Ces modèles représentent une avancée importante par rapport aux modèles de combustion phénoménologiques . Le modèle de combustion à turbulence simplifiée , multi-zones avec délai [ HIR 83 ] [ NIS 89 ] est un modèle de combustion complexe par rapport aux modèles de combustion à une zone . Il prend en compte de nombreux phénomènes physiques comme l' échauffement et l' évaporation du carburant , les turbulences liées au spray et au swirl , ou encore le mouillage aux parois et le délai d' auto-inflammation . Tous ces phénomènes sont pris en compte au niveau de chaque paquet du jet . Compte tenu des défauts rencontrés dans le modèle proposé par [ HIR 83 ] , notamment sous l' hypothèse de combustion stoechiométrique , ce modèle a été reformulé . Ainsi l' approche proposée par les modèles de combustion à une zone a pu être couplée avec l' approche proposée par [ HIR 83 ] consistant à discrétiser le spray en paquet . Il en résulte un modèle de combustion fréquentiel , basé sur les modèles de combustion à une zone , permettant une consommation totale de la masse totale de carburant vaporisée . Les résultats obtenus sont bien meilleurs que ceux du modèle de combustion à turbulence simplifiée , multi-zones avec délai . Cette nouvelle approche permet également de diminuer le temps de simulation quasiment par un facteur 2 sur le cas testé . Ce modèle de combustion n-fois une zone est le modèle de combustion le plus complexe abordé lors de cette étude . Il est aussi le plus prometteur en termes de prédiction . Il peut également servir de modèle de référence pour caler les précédents modèles de combustion . 2.5.1 . 2 Combustion moteur à allumage commandé La thèse de V. Talon " Modélisation d' un moteur à rapport volumétrique et cylindrée variable " a eu pour but de proposer une modélisation du phénomène de combustion dans un moteur à allumage commandé dans un but de contrôle . Le formalisme bondgraph a été retenu pour l' établissement de modèles physiques 0-D ou 1-D . Deux aspects en particulier ont été traités , la modélisation de l' acoustique dans le phénomène de remplissage moteur et la combustion essence . Ce travail offre d' une part une approche innovante pour la modélisation de l' acoustique , très utile notamment pour la modélisation de soupapes ou de turbocompresseur , et d' autre part une famille de modèles propre à modéliser la combustion d' un moteur à allumage commandé dans un but de contrôle . Les éléments majeurs de ces travaux ont été jugés sensibles par l' entreprise partenaire et n' ont donc pu être publiés . Les éléments de modèles physiques créés sont totalement paramétrables et peuvent être très facilement assemblés suivant la définition du moteur à étudier . Le choix judicieux d' établir des modèles phénoménologiques permet aujourd'hui de construire des moteurs virtuels qui n' ont besoin que d' un nombre restreint de paramètres à calibrer pour donner de très bons résultats . Les modèles sont donc génériques et permettent une exploration virtuelle de nouvelles configurations proches . Concernant le premier point , les modèles de la bibliographie ne présentant pas une précision suffisante , un modèle bondgraph d' acoustique a été établi et validé à l' aide d' une manipulation expérimentale spécifique d' acoustique . Pour la modélisation de la combustion des moteurs à allumage commandé , deux types de modèles ont été étudiés , l' un purement mathématique , le modèle de Wiebe [ WIE 70 ] , l' autre physique , le modèle Eddy Burn Up [ BLI 74 ] . Pour chacun de ces modèles , une écriture bondgraph est proposée ainsi qu' une méthode d' identification . Ce travail a été complété par la recherche d' une représentation des phénomènes de cliquetis et de variation cyclique . Concernant l' acoustique , les développements théoriques qui ont été conduit ont permis d' établir un nouveau modèle bondgraph d' écoulements . Il a alors été possible d' établir les modèles avec acoustique de soupape et de turbocompresseur , ce qui est extrêmement important pour l' étude des écoulements dans les moteurs . Sur la base de ce modèle , des méthodes originales pour approximer les champs compresseurs et turbines sont proposées . Concernant la combustion , les modèles de Wiebe [ WIE 70 ] et d' Eddy Burn Up [ BLI 74 ] ont été étudiés . Le modèle de Wiebe permet une approche relativement simple des problèmes de combustion et du taux de dégagement de chaleur . Cette loi mathématique va permettre d' approximer l' évolution de la fraction massique de gaz brûlés au cours de la combustion . Il a été montré que ce modèle peut donner une très bonne approximation du taux de dégagement de chaleur lors de la combustion , mais il est également démontré les très grosses lacunes de ce type de modèle : * difficulté d' identifier des paramètres fiables , * paramètres mathématiques dénués de sens physique . Le modèle Eddy Burn Up a été développé dans les années 70 en se basant sur la compréhension des phénomènes de propagation du front de flamme . Par la suite , ce modèle fut remodelé par [ TAB 77 ] , puis par [ KEC 87 ] . Il est montré que le modèle Eddy Burn Up est , de par sa structure physique , particulièrement bien adapté aux problématiques de contrôle . 4 paramètres sont à identifier , les méthodes , hypothèses et critères à minimiser ont été établis pour chacun des paramètres . La représentativité du modèle a été vérifiée pour des variations significatives de richesse et d' angle d' allumage . 2.5.2 Modèle moteur hybride pneumatique A présent , les moteurs à combustion interne montrent des efficacités globales assez élevées mais deux inconvénients majeurs subsistent . * L' efficacité maximale n' est atteinte qu' à pleine charge ( puissance maximale ) . Or en réalité , la pleine charge n' est pratiquement jamais atteinte . En usage habituel , un moteur fonctionne principalement au ralenti ou à des faibles charges , donc sur des points de faible rendement . * Le cycle thermodynamique n' est pas réversible , c' est-à-dire qu' il n' est pas possible de récupérer de l' énergie ( par exemple au freinage ) . La solution est alors d' utiliser un " groupe motopropulseur hybride " combinant un moteur conventionnel ( combustion interne ) avec un sous-ensemble réversible ( convertisseur et réservoir de stockage d' énergie ) . L' hybride électrique est le plus répandu , mais cette configuration ( moteur électrique et batteries ) présente deux défauts majeurs , son poids et son coût . La thèse de I. Vasile " Etude théorique et expérimentale d' un moteur hybride thermo pneumatique " a conduit l' étude de faisabilité , la simulation et le prototypage du concept innovant d' hybridation pneumatique . Ce dernier combine un moteur à combustion interne avec un sous-ensemble pneumatique constitué d' un convertisseur et d' un réservoir d' air comprimé ( Figure 4 ) . Ce travail a mis en évidence un potentiel de gain de rendement ( donc de diminution de consommation et de pollution ) de 10 à 40 % selon les configurations envisagées ( masse du véhicule , cylindrée du moteur , taille réservoir pneumatique , ... ) ceci bien entendu a iso performance véhicule . Ce travail a donné lieu à un brevet ? [ Br 5 ] , plusieurs publications ? [ 8 ] ? [ 11 ] ? [ 14 ] ? [ 18 ] ? [ 20 ] et communications ? [ 20 ] ? [ 25 ] ? [ 52 ] . Figure 4 : Concept de moteur hybride pneumatique L' objectif est aujourd'hui de faire aboutir ce concept avec le partenariat d' un constructeur automobile et d' un équipementier , pour dans un premier temps construire un véhicule prototype et pourvoir envisager une mise en série du concept . Un partenariat est d' ores et déjà en place avec l' ETH de Zürich , I. Vasile est en post-doctorat avec L. Guzzella et A. Ivanco démarre actuellement une thèse sur le sujet . Dans ce cadre un autre brevet est en cours de dépôt . Le concept d' hybride pneumatique est donc basé sur un moteur conventionnel à combustion interne où une soupape additionnelle , appelée soupape de charge , connecte la chambre de combustion de chaque cylindre au réservoir d' air comprimé . Ainsi , le moteur hybride est capable de fournir un travail mécanique moteur grâce à l' injection de l' air comprimé du réservoir et de récupérer l' énergie cinétique de freinage en chargeant le réservoir . Ce type d' hybridation pneumatique permet immédiatement les nouveaux modes suivants : * moteur pneumatique , * pompe pneumatique , * suralimentation pneumatique , * sous-alimentation pneumatique , * sous détente pneumatique . L' hybridation pneumatique offre également une réponse très efficace au problème posé par le downsizing et ceci a fait l' objet du dépôt d' un brevet ? [ Br 5 ] . En effet , il est possible par la soupape de charge d' effectuer instantanément une injection d' air dans le cylindre . Ce concept présente une suralimentation instantanée naturelle . Un modèle de connaissance complet de l' ensemble ( véhicule , moteur , soupape de charge et réservoir ) a été établi , caractérisé et validé à l' aide d' un prototype réalisé dans le cadre de la thèse de I. Vasile . Ce modèle permet par exemple la simulation de l' ensemble sur un cycle de roulage normalisé , tel le cycle d' homologation NEDC . Figure 5 : Présentation des stratégies heuristiques pour le moteur hybride pneumatique Dans toute forme d' hybridation , une stratégie de pilotage est nécessaire . Comme le montre la Figure 5 , la stratégie proposée pour l' hybridation pneumatique a été établie de façon heuristique . Un premier point est de gérer les modes possibles selon le travail à fournir ( Wdemandé ) ou prélever ( l' objectif étant de produire l' exact travail demandé ) . Un deuxième point considéré est un état de vitesse ( ? ) pour gérer les modes selon un fonctionnement nominal , de ralenti ou simplement d' arrêt . Enfin une contrainte importante et de conserver une énergie résiduelle stockée suffisante pour redémarrer . Ainsi la pression du réservoir ( Pres ) est considérée pour la gestion des modes . Une importante étude a été conduite pour juger de la pertinence du concept et pour évaluer l' influence des paramètres de son architecture ( pression maximum et volume du réservoir , taille de la soupape de charge , etc. ) sur les performances obtenues , selon le véhicule testé ( masse du véhicule , cylindrée du moteur , ... ) . Figure 6 : illustration du séquencement des modes de fonctionnement du moteur hybride pneumatique sur une portion de cycle NEDC . Par exemple sur une partie du cycle NEDC , on peut observer le séquencement des différents modes ( Figure 6 ) . Selon la pression de stockage dans le réservoir , le mode " undercharge " ( Uch ) est activité afin de pas passer sous la limite de pression minimum dans le réservoire . Sur une phase de forte décélération du véhicule , le mode " pump " ( PU ) est activé , c' est une phase de récupération d' énergie ( la pression dans le réservoir augmente ) . L' activation du mode " supercharge " traduit une phase de forte demande de couple , d' où une consommation de l' énergie stockée ( baisse de la pression réservoir ) . Cette figure montre qu' il est possible d' optimiser la stratégie . En effet , pendant certaines phases de freinage " braking system " , on ne peut récupérer l' énergie car le réservoir est déjà plein . Figure 7 : Comparaison des masses de carburant consommées sur le cycle NEDC , par un moteur conventionel et pour l' hybride pneumatique selon la pression de stockage dans le réservoir . La Figure 7 montre les masses de carburant consommées en noir pour le moteur conventionnel de 2 litres de cylindrée servant de référence , les autres couleurs étant pour l' hybride selon la pression maximum de stockage dans le réservoir ( 5 , 7 et 9 bars de pression maximum ) . Sur le cycle NEDC le gain est de l' ordre de 30 % . On constate que sur ce cycle le concept hybride est insensible à la pression de stockage . La faisabilité et l' intérêt du concept d' hybride pneumatique ont été démontrés sur la base de stratégies heuristiques de pilotage des différents modes pneumatiques . Ces stratégies doivent devenir optimales . De même , la configuration ( véhicule , moteur , réservoir ) doit être optimisée . D' autre part ce concept nécessite des technologies pointues ( distribution pilotée , injection directe , ... ) , celles  -ci doivent être contrôlées également de manière optimale . 2.6 ESTIMATION - PREDICTION Ce volet important de mon travail de recherche concerne le développement d' estimateurs prédicteurs basés sur des modèles , d' état par exemple . Ces estimateurs ont pour objectif soit de reconstruire des variables physiques non mesurables ( telles la quantité de gaz résiduels , les masses et espèces admises , la masse totale enfermée , etc. ) ou non mesurées ( telles les richesses cylindre à cylindre ) , ou d' introduire un caractère prédictif à une commande . Les schémas d' observation étudiés ont été des observateurs linéaires à placement de pôles , des estimateurs de Kalman étendu ou des observateurs non-linéaires . J' ai mené une première étude sur l' estimation des richesses cylindre à cylindre . L' objectif était , à partir d' une mesure unique de la richesse à l' échappement , de reconstruire la richesse de chacun des cylindres pour la suite la contrôler ou diagnostiquer des disfonctionnements sur l' un ou l' autre des cylindres . Ce travail est très important dans le cadre de la réduction des émissions polluantes . Il a donné lieu notamment à une publication ? [ 33 ] ) et à un chapitre de la thèse de L. Peron [ PER 01 ] . Par ailleurs , avec l' apparition de nouvelles architectures moteur ( injection directe essence , distribution variable ) et de nouveaux modes de combustion ( mélange pauvre , stratifié , HCCI , ... ) , il devient primordial de connaître au mieux les masses et espèces admises dans le cylindre . Les travaux de P . Giansetti ont porté sur cette thématique et ont permis de proposer des solutions pour l' estimation des gaz résiduels , des quantités et composition des masses admises et pour l' estimation de la masse totale enfermée . Plusieurs publications ( ? [ 9 ] ? [ 7 ] ? [ 13 ] ? [ 4 ] ) et communications ( ? [ 21 ] ? [ 23 ] ? [ 26 ] ? [ 29 ] ) sont issues de ces travaux . 2.6.1 Estimation / prédiction des richesses cylindre à cylindre Le caractère novateur des travaux porte sur la définition d' un estimateur prédicteur de Kalman , unifié , des richesses cylindre à cylindre , à partir d' un point de mesure unique ( de préférence au confluent du collecteur d' échappement ) . Le modèle élaboré pour l' estimateur prédicteur est un modèle d' état stochastique tel que les dimensions des matrices d' état et de mesure sont uniques dans toutes les configurations et les points de fonctionnements ( modèle unifié ) . Le cadre d' application a été l' estimation prédiction de la richesse cylindre en vue d' un meilleur contrôle d' injection donc d' une minimisation des rejets polluants . L' optimisation du rendement de combustion et la minimisation des rejets polluants nécessitent une gestion individualisée des quantités massiques d' air admis et d' essence injectée . Le processus collecteur d' échappement étant non linéaire en régime , mais , linéarisable par parties , nous avons défini plusieurs estimateurs avec indicateur de rupture de modèle qui permettent , quelque soit le régime moteur , de prédire de façon optimale les richesses cylindres . Ce même processus collecteur est également non linéaire en richesse , mais , dans ce cas nous avons démontré qu' il est impossible de définir une linéarisation par partie à l' image de ce qui a été fait en régime . Figure 8 : Exemple de collecteur échappement avec position du point de confluence Sous l' hypothèse d' un écoulement pulsé ( chacune des impulsions correspond à une phase d' échappement , sa durée étant fixée par le temps d' ouverture des soupapes ) et si on observe cet écoulement au point de confluence ( Figure 8 ) , il est possible d' établir un modèle d' état du processus . Partant de là , on peut reconstruire les richesses cylindre à cylindre à partir d' une mesure unique de richesse . Il s' agit de discerner les bouffées de gaz provenant des différents cylindres ( Figure 9 ) . Figure 9 : propagation des " bouffées " de gaz d' échappement dans le collecteur d' échappement . Deux phénomènes , l' un d' origine physique et l' autre d' origine instrumentale , compliquent cette reconstruction : * le mélange des gaz au point de confluence , * le temps de réponse de la sonde de richesse . La reconstruction des richesses cylindre à cylindre à partir de la richesse au point de confluence nécessite la connaissance du mécanisme de mélange au confluent . Or celui  -ci dépend d' un grand nombre de paramètres . Une modélisation tridimensionnelle est théoriquement nécessaire , mais aboutirait à une modélisation trop complexe inutilisable pour une application temps réel . Figure 10 : Evolution au point de confluence des débits volumiques en fonction du temps . La loi de mélange proposée par [ HAS 94 ] considère un mélange parfait des gaz au point de confluence . La richesse du mélange est fonction à un instant donné du débit volumique de gaz par cylindre ( Figure 10 ) et de leur richesse respective . Le débit volumique d' un cylindre au point de confluence est maximal à l' instant k ( instant d' arrivée de la bouffée du cylindre en phase d' échappement au point de confluence ) , puis décroît continûment en fonction du temps . L' avantage de ce modèle est d' être suffisamment représentatif pour permettre un calcul de la richesse au point de confluence en temps réel . L' approche est de type " boîte noire " . Le modèle proposé s' appuie sur une formulation autonome de l' équation d' état selon [ HAS 94 ] , [ WAT 97 ] ou [ CAR 98 ] . Les paramètres de la représentation d' état seront identifiés et validés à partir de campagnes d' expérimentation au banc moteur . Ici le développement d' un observateur robuste est passé par une approche stochastique de type Kalman . Les bruits d' état et de mesure sont des bruits blancs gaussiens de moyenne nulle et de covariance connue ou identifiable ( Q matrice de covariance du bruit d' état et R matrice de covariance du bruit de mesure ) . Où sont les vecteurs d' état et de sortie et où et sont les bruits d' état et de mesure à l' instant . Le vecteur d' état représente physiquement les richesses en sortie de chaque cylindre au cycle . Sa structure dépend de la loi de mélange envisagée au point de confluence et de l' ordonnancement des phases d' échappement . Par exemple pour un ordre d' allumage ( 1 - 3-4 - 2 ) et en supposant le cylindre 2 à l' échappement , la richesse au point de confluence dépend de la richesse du cylindre 2 et de la richesse des autres cylindres aux cycles précédents . Le vecteur d' état est donc composé des éléments suivants : Au demi-tour suivant ( instant ) , la richesse au point de confluence devient dépendante du cylindre en phase d' échappement ( cylindre 1 ) . La mise à jour du vecteur d' état se fait par rotation des richesses de chaque cylindre : Cela conduit à la matrice d' état suivante : La dimension de la matrice d' observation C dépend de la géométrie du collecteur d' échappement : * dimension [ 1 x 4 ] dans le cas d' un collecteur symétrique , * dimension [ 4x4 ] dans le cas d' un collecteur asymétrique . L' identification de la covariance du bruit de mesure a été réalisée à partir d' essais statiques sur banc de gaz synthétique ( hors moteur afin de dissocier bruit d' état et bruit de mesure ) . L' identification de la covariance de bruit d' état a été faite sur moteur après l' identification de la matrice d' observation et de la matrice de covariance du bruit de mesure . Figure 11 : Résultats de l' estimation des richesses cylindre à cylindre sur données moteur . L' étude a porté en simulation sur des collecteurs symétrique ou asymétrique et sur moteur avec un collecteur symétrique . Les essais réalisés montrent l' efficacité et la robustesse de l' estimateur . La précision de l' estimation est globalement plus mauvaise dans le cas du collecteur asymétrique . Cela s' explique par le recouvrement inégal et parfois très important des bouffées de gaz provenant des différents cylindres . L' étude en simulation a mis en évidence une dépendance de la matrice d' observation avec : * le régime moteur , * la charge et donc le débit de gaz , * l' amplitude des créneaux de richesse . Les résultats obtenus ( Figure 11 ) , après identification de C sont alors corrects . La faisabilité de l' estimation de la richesse cylindre à cylindre à partir d' une mesure au point de confluence a été démontrée . Les essais réalisés ont mis en évidence les lacunes des modèles issus de la littérature [ CAR 98 , KAI 99 ] . 2.6.2 Estimation des masses et espèces admises dans le cylindre Le fonctionnement en mélange pauvre pour un moteur essence à injection directe ( GDI ) est une solution pour réduire la consommation et les émissions polluantes . Le travail de thèse de Pascal Giansetti s' est inscrit dans ce cadre . Une première réponse apportée concerne l' estimation des gaz résiduels . Sur la base du modèle de Fox [ FOX 93 ] , un estimateur précis de la masse de gaz résiduels a été établi et validé . Afin de déterminer complètement les masses et espèces admises un estimateur a été établi et il est à noter que l' estimateur sur les résiduels est nécessaire à ce second estimateur . Cet estimateur est partiellement validé . A ce jour la difficulté réside dans un moyen fiable de mesure des espèces admises . Un autre estimateur est apporté par l' utilisation de la mesure de la pression cylindre . La solution proposée offre un algorithme rapide et robuste pour la détermination de la masse totale enfermée . Figure 12 : Effet de la richesse sur les émissions polluantes . L' avantage du fonctionnement en mélange pauvre est illustré par la Figure 12 . En effet on constate qu' une richesse de l' ordre de 0 , 8 engendre une réduction significative des émissions de NOx tout en conservant des valeurs faibles d' émissions en CO et HC . Par ailleurs , si on couple cet effet avec un taux d' EGR important ( 10 % ) , on peut atteindre des nivaux d' émissions en NOx relativement faibles ( Figure 13 ) . Figure 13 : Effet de l' EGR et de la richesse sur les émissions de NOx Cependant un point important , jusqu'à présent mal appréhendé dans la littérature et qui a été souligné et démontré dans cette thèse est que les gaz issus de la combustion en mélange pauvre ( richesse < 1 ) , contrairement au fonctionnement à la stoechiométrie , ne sont pas neutres . Les gaz résiduels et les gaz recirculés n' ont donc plus à être considérés comme neutres . Il en découle que la richesse , traditionnellement définie par rapport à de l' air , doit être redéfinie . En effet , les gaz admis ne sont plus seulement de l' air mais de l' air et des gaz recirculés et résiduels non neutres . Nous montrons dès lors que la richesse doit être défini par rapport à une quantité d' oxygène et non d' air . Cette définition ne se limite pas au mélange pauvre , elle est générale et s' applique quel que soit le mode de fonctionnement . Ceci implique non pas une simple considération du transport des masses de neutres et d' air frais ( + carburant ) comme c' est le cas habituellement , mais la distinction en espèces ( O2 , N2 , H2O , CO2 ) selon leur concentration et masse . Ce sujet , loin d' être banal , est primordial et décisif pour pouvoir contrôler , à l' avenir , les nouveaux modes de combustion . Partant du schéma de fonctionnement donné à la Figure 14 , on comprend aisément que , faute de moyen de mesure in situ , pour déterminer les espèces dans le cylindre , il faut considérer : * la dynamique collecteur admission , * la dynamique de recirculation des gaz d' échappement , * le remplissage cylindre , * les gaz frais , * les gaz recirculés , * les gaz résiduels . Figure 14 : Schéma de fonctionnement d' un moteur avec EGR et natures des gaz enfermés . De nombreuses références font état de travaux sur la modélisation du collecteur d' admission et du circuit d' EGR . Les modèles ont été aisément établi , mais l' identification de leurs paramètres s' est elle avéré délicate . Les difficultés résidaient dans : * la détermination des résiduels , * la prédiction des masses et espèces admises . Sur la base des phénomènes physiques ( transvasement et occupation des volumes morts ) mis en jeu , un modèle des gaz résiduels a été défini par [ FOX 93 ] . Ce modèle a été modifié pour tenir compte de l' influence de la richesse sur les résiduels et pour mieux prendre en compte l' influence du croisement sur le terme de " back-flow " . Il définit un estimateur précis ( 4 % d' erreur max ) de la masse de résiduel ( ? [ 9 ] ? [ 21 ] ) . Cependant , faute de capteur industriel , il est impossible d' envisager un bouclage de l' estimateur . La caractérisation et l' identification de cet estimateur ont nécessité la mise en oeuvre de moyens expérimentaux lourds ( FID rapide , soupape de prélèvement , CO2 rapide , spectroscope de masse rapide ) . Un résultat important a été apporté par l' étude comparative d' un code de simulation 1D ( WAVE ) et des relevés expérimentaux . Cette étude montre que ce code ( s' il est recalé sur des données expérimentales " standard " , telle pression collecteur , pression cylindre , etc. ) est valide pour la détermination des résiduels et que l' estimateur peut-être identifié sur des données issues de ce code . Le schéma de la Figure 15 synthétise les étapes de la prédiction des masses et espèces admises dans le cylindre . Le modèle de résiduel étant établi précédemment , il faut : * prédire l' état ( pression et température ) du collecteur d' admission , * appliquer la loi de remplissage , * appliquer la réaction liée à la combustion ( compte tenu des résiduels ) , * calculer les masses et espèces prédites . A partir des équations comportementales physiques , telles qu' elles sont établies dans [ MOS 88 ] et [ STE 97 ] , un modèle d' état est établi . Pour notre système , le vecteur d' état est défini par la pression et température collecteur . Pour faciliter la synthèse du bouclage de l' estimateur , ce modèle est linéarisé autour d' un point de fonctionnement [ BOR 93 ] . Le caractère prédicteur à un pas est apporté par la discrétisation de ce modèle . On procède alors au bouclage de l' estimateur prédicteur avec synthèse du retour d' état par placement de pôles . La Figure 16 compare la pression estimée à la pression mesurée lors d' un essai transitoire au banc moteur . La plage de pression balayée est vaste et les transitoires sont brusques . On constate les bonnes estimations de la pression et de la température . Figure 15 : Schéma synthétique des étapes de la prédiction des masses et espèces admises . Figure 16 : Résultats de la prédiction de la pression et de la température du collecteur d' admission . Les prédictions à k + 1 des pressions et température collecteur étant établies , on peut par le calcul des concentrations ( admission , cylindre et échappement ) et par l' emploi d' une équation de combustion déterminer les prédictions à k + 1 des masses des principales espèces à l' admission , dans le cylindre et à l' échappement . Figure 17 : Comparaison des richesses en différents lieux selon les différentes définitions . Il est intéressant de comparer les richesses , définies en référence à la quantité d' oxygène , à l' admission , dans le cylindre et à l' échappement à la richesse que l' on obtiendrait par la formulation classique ne considérant que les gaz frais " passant " au papillon ( Figure 17 ) . Il est probant que , dans les phases transitoires et dans les phases à fort taux d' EGR , la définition habituelle de la richesse ne peut être conservée et doit être remplacée par une définition en O2 2.6.3 Masse totale enfermée dans le cylindre L' objectif est ici toujours de déterminer la masse admise dans le cylindre . L' approche proposée se base sur la mesure de pression cylindre pour estimer la masse totale enfermée . Connaissant la masse de résiduels , on peut , par différence , en déduire la masse admise dans un cylindre . De nombreuses méthodes ont été répertoriées notamment des méthodes exploitant la phase de compression , en particulier [ WOR 05 ] , [ PER 01 ] , [ ROB 99 ] . Le principe est de reconstruire au mieux l' évolution de la pression cylindre pendant la phase de compression par une transformation polytropique prédéfinie : avec : i indice de cycle , ? angle vilebrequin , Pcyl la pression cylindre , Tcyl la température cylindre , Tref la température de référence et k le coefficient polytropique et avec : mcyl la masse totale enfermée dans le cylindre et r la constante des gaz parfaits . Figure 18 : Illustration des lois polytropique initiale et après convergence . Les résiduels étant connus , un modèle de perte aux parois étant donné , on constate que l' estimée de la pression cylindre dépend de la masse totale enfermée . Un observateur de la masse admise est établi sur la base de cette formulation . Un algorithme de minimisation permet de déterminer le meilleur estimé de la masse totale enfermée qui fasse passer au mieux la loi polytropique dans un ensemble de points de mesure de pression cylindre ( Figure 18 ) . Les résultats obtenus démontrent l' apport de cette méthode en termes de robustesse par rapport aux méthodes connues . L' erreur d' estimation est établie selon : Un algorithme de minimisation [ NEL 00 ] , permet alors de déterminer la masse totale enfermée qui minimise le critère J suivant : La masse totale admise est alors obtenue par différence : La Figure 19 donne en fonction de la précision sur la pression cylindre ( en abscisse ) et de la précision sur la température d' échappement ( en ordonnée ) les iso-erreur d' estimation de la masse enfermée . Les chiffres portés sur les lignes d' iso-erreur indiquent le pourcentage d' erreur d' estimation commis ( entre + 24 % et - 16 % ) . Ainsi pour une erreur nulle sur la détermination de la pression cylindre et sur la température d' échappement , l' erreur d' estimation de la masse enfermée est nulle . Pour une erreur nulle en température et une erreur de 10 % sur la pression on obtient une erreur d' estimation de la masse de - 10 % . Pour une erreur nulle en pression et une erreur de 15 % en température on obtient un erreur d' estimation de la masse enfermée de - 2 % , etc. On constate donc une forte sensibilité par rapport à la pression cylindre et une relative insensibilité par rapport à la température . L' erreur sur le recalage de la pression cylindre peut heureusement être maîtrisée . Figure 19 : Iso-erreur estimation de la masse enfermée en fonction des erreurs portées par la pression cylindre Pcyl et la température échappement Texh . L' algorithme proposé converge dans tous les cas en deux itérations et ce quelque soit la condition initiale donnée à la masse totale enfermée . Cette méthode est sensible : * à la précision de mesure de la température échappement , * au recalage de la pression cylindre , * à la qualité du modèle de pertes aux parois . 2.7 COMMANDES A BASE DE MODELES On peut dire que , dans toute approche de commande ( hormis peut-être une forme complètement heuristique de réglage du PID ) , un modèle du système est présent , que ce soit de manière implicite ou explicite , interne ou externe , embarqué ou pas , ... Deux commandes à base de modèle interne explicite ont retenu notre attention : * la commande par modèle interne ( Internal Model Control , IMC ) , pour sa simplicité de réglage et de mise en oeuvre et pour ses bonnes propriétés aussi bien dans le cas linéaire que non linéaire , * la commande prédictive ( Model Predictive Control , MPC ) qui permet de résoudre de nombreux problèmes de contrôle pour les systèmes multivariables , linéaires ou non linéaires . La commande par modèle interne en non-linéaire a été utilisé afin d' apporter une commande plus performante et surtout beaucoup plus aisée à synthétiser pour le contrôle du papillon motorisé . Il est l' actionneur principal de la boucle d' air sur un moteur à allumage commandé . Dans notre structure hiérarchique de contrôle en couple , cet élément est au plus bas de la hiérarchie et les performances de sa boucle de régulation conditionnent pour beaucoup le résultat global du contrôle en couple . Ces travaux ont été développés dans le cadre de la thèse de G. Colin conduite en collaboration avec le CRAN de l' université Henri Poincaré Nancy 1 et l' IFP . Les résultats obtenus , comparativement à un PID " série " , donnent de très bon résultats , en terme de rapidité , de dépassement , de temps de réglage , de stabilité , d' erreur statique et de sollicitation du papillon . Ces travaux ont donné lieu à des publications et communications ( ? [ 6 ] ? [ 47 ] ) . Dans le cas d' une commande en feedforward , un modèle du système est inversé afin de le contrôler . Le problème devient particulier dès lors que ce modèle n' est pas inversible . C' est ce que nous avons rencontré dans le cadre du downsizing moteur pour le contrôle de la masse de gaz brûlés . Ceci a été résolu dans la thèse de G. Colin par l' utilisation d' un algorithme de minimisation sous contrainte . Ces travaux ont été validés sur banc moteur et véhicule prototype . Ce travail ouvre un champ de recherche assez vaste sur l' optimisation de la trajectoire dynamique de commande pour la masse de gaz recirculés dans l' objectif de minimiser les émissions polluantes . A ce jour une communication a été réalisée ( ? [ 43 ] ) . Lorsque les dynamiques sont lentes , en particulier celle d' un actionneur vis-à-vis du système à contrôler seule l' anticipation de la réponse du système permet d' éviter les dépassements . La commande prédictive , qui peut en sus prendre en compte des contraintes sur les entrées ou sur les états , anticipe la dynamique du système par la prédiction de son comportement futur à l' aide d' un modèle interne du système . Elle peut cependant poser des problèmes de temps de calcul concernant les systèmes rapides . Toujours dans le cadre du downsizing et de la thèse de G. Colin , une commande prédictive a été mise en place pour le contrôle de la pression collecteur et pour répondre à la problématique posée par la présence d' un turbocompresseur . La solution proposée est une commande prédictive neuronale linéarisée . L' originalité est apportée par : * l' implémentation d' une commande prédictive sur un système non-linéaire rapide ( à temps de calcul limité ) , * de très bonnes performances au regard des contraintes et objectif de l' application . Ces travaux ont donnés lieu à plusieurs publications ( ? [ 10 ] ? [ 5 ] ? [ 6 ] ) et communications ( ? [ 24 ] ? [ 47 ] ? [ 48 ] ? [ 49 ] ) . Dans le cadre de la thèse de A. Jacquet , " contrôle freinage avion gros porteur " , et pour répondre également à une problématique de lenteur de l' actionneur vis à vis de la dynamique du système ( système lui aussi non-linéaire ) , il a été mise en place avec succès une solution du type commande prédictive . Les résultats obtenus laissent envisager rapidement ( sous 1 an ) le test de cette solution sur avion . Deux brevets ont été déposés ( ? [ Br 1 ] ? [ Br 2 ] ) . Les paragraphes suivants , vont présenter dans l' ordre le contrôle par modèle interne , la commande feedforward et enfin la commande prédictive . 2.7.1 Contrôle par modèle interne ( IMC ) Ce régulateur incorpore une simulation du processus par un modèle , d' où le nom de commande par modèle interne ( Internal Model Control , IMC ) . Elle est réservée aux systèmes stables [ LAR 93 ] [ COR 04 ] . Pour les procédés instables en boucle ouverte , un bouclage stabilisant classique est d' abord nécessaire . Le plus souvent la commande par modèle interne est appliquée à la régulation des processus . Cependant , la commande par modèle interne peut être appliquée en asservissement puisqu' elle possède de très bonnes propriétés dans le cas où le modèle est parfait : stabilité , contrôle parfait et erreur statique nulle . La commande par modèle interne est basée sur la connaissance d' un modèle du procédé où l' erreur de modélisation est directement prise en compte dans la boucle de retour . La commande par modèle interne présente aussi de bonnes qualités de robustesse face à des variations de structure ou de paramètres du modèle du procédé . Dans le cas où le modèle direct est parfait , le signal de retour dans la boucle est seulement la perturbation . Lorsque le modèle et le procédé sont différents , le signal de retour contient l' information sur l' erreur de modèle et il est possible d' obtenir plus de robustesse en agissant sur le signal de retour par le filtre de robustesse . Afin d' améliorer encore la robustesse la consigne peut être filtrée par un modèle de référence qui agit sur la dynamique de poursuite , comme par exemple dans la commande prédictive . Le modèle interne peut être linéaire ou non linéaire , nous nous plaçons uniquement dans le cas non-linéaire . La structure de la commande par modèle interne non linéaire est définie à la Figure 20 et dans [ ECO 86 ] [ HEN 91 ] , avec P le processus , M le modèle , C le contrôleur et F un filtre . Les propriétés suivantes sont démontrées [ ECO 86 ] . * Si C et Pd ( d étant une perturbation ) sont stables et qu' un modèle parfait du système est disponible , alors le système en boucle fermée est stable . * Si le vrai modèle inverse existe , si le contrôleur est égal à ce modèle inverse , et si le système en boucle fermée est stable avec ce contrôleur alors le contrôle est parfait * Si le vrai modèle inverse statique existe , si le contrôleur statique est égal à ce modèle inverse statique , et si le système en boucle fermée est stable avec ce contrôleur , alors l' erreur statique est nulle . Le filtre de robustesse F est ajouté pour accroître la robustesse . La difficulté du contrôle par modèle interne non linéaire réside dans la complexité d' obtenir le modèle inverse . Deux solutions sont disponibles dans la littérature : soit l' écriture du modèle inverse se fait naturellement grâce à la structure même du modèle direct , soit des méthodes d' optimisation sont utilisées afin d' inverser le modèle . Ainsi , la méthode de Newton est utilisée dans [ ECO 86 ] . Beaucoup de modèles peuvent être utilisées pour la structure IMC non linéaire : les réseaux de neurones [ HAG 99 ] , les modèles LOLIMOT ( LOcalLInear MOdel Tree ) [ FIN 01 ] , ... Figure 20 : Structure de la commande par modèle interne en non linéaire . Le papillon d' admission d' air , élément principal de la boucle d' air sur un moteur à allumage commandé , a pour objectif d' amener la pression collecteur Pman à sa consigne . Cette consigne est fixée par ailleurs selon une stratégie générale de pilotage en couple . La grandeur de commande est la section efficace de passage du papillon ( Sthr ) . Figure 21 : Principe du contrôle du papillon par modèle interne . Le schéma de contrôle par modèle interne du papillon d' admission est donné par la Figure 21 . Le modèle direct , c' est-à-dire de pression collecteur est donné par les relations classiques de thermodynamique [ COL 06 ] [ MOS 88 ] . Ces relations font intervenir des relations non linéaires ( équation de Barré de Saint-Venant ) et des non-linéarités statiques ( remplissage , section théorique , coefficient de débit ) . Le modèle ainsi obtenu est tout d' abord identifié , puis validé en régime stabilisé , enfin validé en transitoire . Le modèle statique inverse s' écrit à partir du modèle direct en condition statique ( pression collecteur constante , ) , ce qui permet d' exprimer directement la section efficace du papillon selon le point de fonctionnement désiré . Le filtre utilisé est choisi comme un filtre du premier ordre . La Figure 22 illustre les résultas obtenus . Comparativement à un PID " série " on constate un gain significatif en terme de rapidité , de réduction du dépassement , de stabilité , d' erreur statique et de sollicitation du papillon . De plus cette solution offre une facilité de réglage incomparable avec le PID . Figure 22 : Pression collecteur ( bar ) en fonction du temps ( s ) à 2000 tr / min , contrôlée par modèle interne ( IMC ) et par un contrôleur PID 2.7.2 Commande en " feedforward " Il arrive que la grandeur contrôlée ne soit pas mesurable . Dans le cas une possibilité est de mettre en place une commande en feedforward s' appuyant sur un modèle interne inverse du système . La présence d' une distribution pilotée est essentielle au " downsizing " . A ce jour aucun contrôle de déphaseurs d' arbre à cames indépendants à l' admission et à l' échappement ne se trouve dans la littérature . [ STE 95 ] [ GOR 03 ] et [ STE 99 ] proposent une gestion du déphaseur à l' aide de la richesse mais sans donner de détails . Une distribution pilotée permet , pour réduire les émissions polluantes et pour favoriser la relance du trubocompresseur , de contrôler les gaz brûlés résiduels et le phénomène de balayage . L' originalité est ici d' avoir défini une variable unique de pilotage à la fois des gaz recirculés et du balayage . En effet , le même phénomène d' écoulement pilote ces effets . Le contrôle de la chaîne d' air est alors décomposé en deux modules : * le contrôle de la masse d' air par action sur le papillon ( IMC ) et de la wastegate WG ( commande prédictive ) , * le contrôle de la masse de gaz recirculés ou balayés via les déphaseurs d' arbre à cames ( Feedforward ) . Ainsi , le suivi de consigne de masse d' air ( contrôle en couple ) est totalement découplé du contrôle de la masse de gaz recirculés . Il est donc possible pour une consigne de couple donnée ( masse d' air ) , de déterminer une masse de gaz recirculés minimisant les émissions polluantes et par ailleurs pour une masse de gaz recirculés donnée d' optimiser la position des déphaseurs afin de minimiser les émissions polluantes . Les masses d' air et de gaz brûlés recirculés ou balayés ne sont pas mesurables . Aussi , un observateur de masse d' air neuronal est appris sur des données issues d' un simulateur . Cet observateur est rebouclé par un filtre de Kalman sur une grandeur mesurée : la pression collecteur . Un modèle interne neuronal ( déphaseurs admission et échappement - masse de gaz brûlés ) est appris sur les mêmes données . Dans le cadre d' une commande en feedforward il faut inverser ce modèle . Ce dernier est non inversible du fait d' une infinité de solutions en positions des déphaseurs ( admission et échappement ) pour réaliser une même masse de gaz brûlés . Ce problème est résolu par l' utilisation d' un algorithme de minimisation limité en nombre d' itérations , qui recherche la solution qui assure d' une part le suivi de consigne en masse de gaz brûlés mais sous la contrainte de minimiser le chemin sur les actionneurs . Ces travaux apportent une solution validée pour l' estimation en ligne des masses d' air et de gaz brûlés recirculés ou balayés , ainsi qu' une solution en terme de commande de déphaseurs d' arbre à cames . Figure 23 : Essai de robustesse du contrôle en couple ( consigne constante ) pour des variations sur l' ensemble du domaine des déphaseurs admission et échappement avec ( en haut ) ou sans ( en bas ) notre solution de contrôle . La Figure 23 présente les résultats obtenus avec notre solution de contrôle de la chaîne d' air ( en haut ) et ceux obtenus avec une solution standard ne proposant pas de découplage pour le contrôle des masses d' air et recirculés . Il apparaît très clairement ( en bas ) le bon suivi des consignes de couple et de gaz recirculés avec notre solution . Alors qu' avec la solution standard on observe ( à droite ) une grande perturbation de la réponse en couple par les variations de consignes de gaz recirculés . L' ensemble a été validé sur banc moteur et sur véhicule prototype Renault VelSatis . Figure 24 : Structure détaillé de la stratégie de contrôle proposée pour un moteur à combustion essence avec turbocompresseur et déphaseurs d' abre à cames à l' admission et à l' échappement . De plus la proposition d' une stratégie ( Figure 24 ) de commande " découplante " ouvre un champ de recherche assez vaste sur l' optimisation de la trajectoire dynamique de commande pour la masse de gaz recirculés dans l' objectif de minimiser les émissions polluantes . 2.7.3 Commande prédictive à base de modèle Compte tenu de sa connaissance des réactions de son véhicule , l' automobiliste sait anticiper et sait sur un horizon glissant quelles actions appliquer pour obtenir le comportement désiré , selon un propre critère d' optimisation de conduite ( rapidité , consommation , etc. . . ) . Ces constatations constituent les principes fondamentaux de la commande prédictive à base de modèle ( MPC , Model Predictive Control ) [ BOU 96 ] , comme le montre la Figure 25 , la commande prédictive se décompose donc en trois phases . * La première étape consiste en une prédiction de la sortie sur un horizon à partir des entrées ( présentes et futures ) et des sorties mesurées . * La deuxième étape consiste en la définition de la trajectoire de référence souhaitée pour la sortie du processus depuis sa valeur actuelle jusqu'à la valeur de consigne . * La troisième étape consiste en la minimisation d' une fonction coût I par rapport au vecteur d' entrée U ( t ) en prenant en compte les saturations des entrées . Figure 25 : Principe de la commande prédictive . Le critère I est généralement la somme des carrés des erreurs entre la prédiction et le modèle de référence plus une énergie ( ou une sollicitation ) sur la commande [ BOU 96 ] . La minimisation de ce critère est obtenue par des méthodes génériques d' optimisation [ NEL 00 ] [ NOR 00 ] [ BON 97 ] [ COL 06 ] . Elle fournit la solution du contrôle où seule la première valeur est réellement appliquée au processus . La commande prédictive ou commande à horizon glissant est intéressante pour plusieurs raisons . * Le concept est relativement intuitif . Le réglage de la commande est donc relativement facile et plus aisé que beaucoup d' autres contrôleurs , * Le cas multivariable et/ou non linéaire peut très bien être traité , * Les contraintes sont faciles à intégrer dans le calcul de la commande , * Elle peut être utilisée pour contrôler de nombreux processus avec des dynamiques relativement simples ou très compliquées . En revanche , la commande prédictive a certains inconvénients . * Le calcul des lois de commande peut être lourd . Elle est donc majoritairement appliquée à des systèmes lents , c' est-à-dire à temps de calcul non limitant , * Elle nécessite un modèle , qui peut être difficile à établir . Tout d' abord seront présentés les travaux réalisés dans le cadre de la thèse de G. Colin , puis ceux réalisés dans le cadre de la thèse de A ; Jacquet . Du fait de son inertie importante et de son temps de temps réponse non négligeable devant la dynamique du collecteur , le turbocompresseur est un élément problématique à contrôler dans l' application " downsizing " . En effet , , il apparaît , avec un correcteur basique type PI , un fort dépassement de la consigne . De plus le turbocompresseur est un élément fortement non-linéaire , ce qui complexifie la synthèse d' un contrôleur . Nous considérons alors que le choix d' une commande prédictive s' impose . En effet , elle va permettre : * d' anticiper le comportement du turbocompresseur et donc d' éviter les dépassements , * de prendre en compte les non linéarités , * de prendre en compte les saturations . Compte tenu de la complexité d' un turbocompresseur , le modèle de prédiction ne peut-être un modèle physique . Ici un modèle du type neuronal ( perceptron à une couche cachée ) est préféré ( ce choix est justifié par les contraintes de linéarisation pour la commande ) . Pour des considérations physiques la pression de suralimentation Pint ( k ) , la position de la wategate WG ( k ) et le débit d' admission dans le cylindre Dcyl ( k ) ont été choisis comme régresseurs ( ou entrées du modèle ) . Le système a une dynamique de premier ordre , et la variation de régime Ne est prise en compte à travers la variable Dcyl . Le modèle est alors défini par : Figure 26 : Génération des données de validation sur banc moteur : wastegate ( % , en haut ) , papillon ( % , en bas ) en fonction du temps ( secondes ) Figure 27 : Test du modèle neuronal sur des données de validation au banc moteur : pression ( Pa , en haut ) et erreur de prédiction ( Pa , en bas ) en fonction du temps ( secondes ) Pour la génération des données d' apprentissage les entrées choisies sont des Séquences Binaires Pseudo Aléatoires Modulées en Amplitude ( Figure 26 ) [ NEL 00 ] . On s' assure que ces signaux excitent bien le système en amplitude et en fréquence , que l' ensemble de l' espace est exploré de façon uniforme . L' apprentissage du modèle neuronal a été effectué par minimisation de l' erreur quadratique moyenne et le nombre de neurones dans la couche cachée a été optimisé . La Figure 27 illustre les résultats très satisfaisants obtenus sur les données de validation . Le schéma de commande de commande prédictive neuronale , appelé CENMPC ( Constrained Exact Nonlinear Model Predictive Control ) , s' écrit : avec : et : Trois formes de commande prédictive ont été synthétisées et comparées : * non linéaire sous contraintes ou CENMPC , obtenue en utilisant le modèle neuronal , * linéarisé sous contraintes ou CLMPC , obtenue en utilisant le modèle neuronal linéarisé. * linéarisé saturé ou SLMPC , obtenue par minimisation analytique ( sans contrainte ) du critère avec le modèle neuronal linéarisé , puis saturation de la commande . Figure 28 : Comparaison des différentes solutions de commande prédictive : résultat en pression de suralimentation ( Pa ) versus temps ( secondes ) Figure 29 : Comparaison des différentes solutions de commande prédictive : réponse de la wastegate ( % , en haut ) et du papillon ( % , en bas ) versus temps ( secondes ) Les performances obtenues dans les trois cas ( Figure 28 et Figure 29 ) sont très comparables et sont très satisfaisantes ( dépassement limité , papillon 100 % ) . Par contre en terme de temps de calcul , les trois méthodes offrent des performances bien différentes . Si pour la méthode CENMPC ( prise pour référence ) le temps de calcul est de 100 % , il est pour la méthode CLMPC de 4 % et de 0.06 % pour la méthode SLMPC . Dans ce cas , le temps de calcul est suffisamment réduit pour que le contrôle soit implémenté dans un calculateur prototype dans un véhicule . Sur banc moteur , on constate que la solution proposée de contrôle prédictif SLMPC avec un modèle neuronal ( appris sur des données de banc ) linéarisé : * donne de très bons résultats ( un temps de réponse réduit , quasiment aucun dépassement et pas d' erreur statique ) , * répond aux contraintes posées sur les actionneurs ( le papillon s' ouvre au maximum pour un meilleur rendement , la wastegate n' est pas trop sollicitée ) * offre une grande facilité de réglage . Figure 30 : Pressions ( Pa ) à 2500 tr / min contrôlées par une commande prédictive ( haut ) et par un contrôleur PID ( bas ) Figure 31 : Fermeture de la wastegate ( en % ) et Ouverture du papillon ( en % ) à 2500 tr / min avec une commande prédictive ( haut ) et par un PID ( bas ) Les Figure 30 et Figure 31 illustrent ces résultats . On constate de bien meilleurs résultats dans le cas de la commande prédictive ( en haut ) que dans le cas du PID , que ce soit en terme de suivi de consigne ( à gauche ) qu' en terme de sollicitations des actionneurs ( à droite ) . On notera que la même commande prédictive de la wastegate mais avec un modèle neuronal appris en simulation ( au lieu des données de banc ) montre des résultats comparables . La robustesse intrinsèque de la commande , associée à un simulateur ( AMESIM ) représentatif du moteur , permet une synthèse de la commande " tout en simulation " . Ceci est un atout majeur au vu des coûts des essais banc et au vu des limitations sur les sollicitations possibles au banc ( les SBPA modulées en amplitude ne sont pas bien accueillies par les opérateurs de banc ) . D' autres développement sur la commande prédictive ont été réalisé dans la thèse d' A. Jacquet . Les travaux développés dans la thèse de A. Jacquet pour l' application freinage avion présentent cependant un caractère très confidentiel . Aussi il m' est impossible d' en donner les détails , seules les grandes lignes seront données . Le système de freinage actuel est un ensemble fonctionnel et opérationnel mais pas nécessairement optimisé ni homogène et ne possédant pas vraiment de capacité d' adaptation . Donc pour les commandes utilisées par le système de freinage , depuis le niveau avion jusqu'au niveau roue , l' un des objectifs est de rendre l' ensemble plus autonome et plus transposable d' un avion à l' autre . Les solutions proposées permettent une amélioration de la protection d' anti blocage des roues notamment en apportant une grande facilité de réglage et d' adaptabilité et en optimisant le rendement du système pour tous les états de piste . Compte tenu de la dynamique de blocage de la roue , des perturbations présentes , des contraintes , de la présence d' une nouvelle mesure et enfin des objectifs de facilité de réglage et de synthèse visés , la commande prédictive s' est imposée comme solution de contrôle de ce système . L' équation de base du système est donnée par l' application du théorème du moment dynamique Il existe une réponse simple en terme de commande si l' on fait l' hypothèse que la perturbation ( couple d' adhérence ) est constante sur l' horizon de prédiction Np . Une commande de ce type n' a pas beaucoup d' intérêt par rapport à une commande classique . En effet , pour un freinage on ne peut pas considérer que la perturbation ( couple d' adhérence ) est constante sur l' horizon de prédiction . Il faut donc évaluer les perturbations futures et en tenir compte dans le calcul des sorties prédites . L' estimation des perturbations futures repose sur un estimateur basé sur une fonction de forme représentative de l' adhérence à l' interface pneu - piste . Cette fonction de forme est bien entendu adaptée en temps réel . Le coût J à minimiser à chaque pas de calcul k , est à adapter selon les objectifs de commande fixés . Les résultats obtenus sur simulateur avion confortent les choix faits et permettent d' envisager rapidement ( sous 1 an ) le test de cette solution sur avion . 2.8 CONCLUSION Deux volets peuvent caractériser mon travail . D' une part l' ensemble des développements conduits du point de vue de l' automatique , de la modélisation , des observateurs et du contrôle à base de modèles et d' autre part l' ensemble des mises en applications de ces développements sur des systèmes complexes en particulier les moteurs à combustion . Les résultats majeurs obtenus sont de plusieurs types et natures . Du point de vue automatique * Un travail volumineux sur la modélisation des systèmes complexes a été conduit ainsi que sur la reformulation des modèles à des fins de commande . * De nombreux observateurs bouclés notamment à base de modèle neuronaux ont été développés . * Un travail conséquent sur les outils de validation et d' optimisation des observateurs et des modèles associés a été réalisé , notamment pour les modèles non-linéaires . * Un travail important sur des contrôles prédictifs , en particulier neuronal , pour des systèmes non-linéaires contraints à été réalisé . * Des solutions , pour ces contrôles prédictifs ont été apportées pour une mise en oeuvre en temps réel sur des systèmes fortement contraint en temps de calcul . * Sur une base expérimentale la robustesse intrinsèque du contrôle prédictif a été éprouvé . Du point de vue des applications , * Une architecture générique de contrôle en couple a été formalisée , et validée . Cette architecture est adaptée à tout type de moteur essence et peut-être facilement adaptée à tout type de moteur diesel . * Un résultat primordial est sans nul doute la redéfinition d' une grandeur communément appelée la richesse . * Dans la perspective des développements futurs des moteurs à combustion offrir un modèle et une méthode expérimentale fiable de caractérisation de gaz résiduels est un résultat très important . * Enfin le fait d' avoir développé un nouveau concept de motorisation hybride pneumatique offrant une alternative crédible et moins coûteuse que l' hybride électrique peut être demain un fait marquant . Aujourd'hui nous proposons une architecture générique de contrôle d' un moteur essence ( suralimenté ou non , avec ou sans distribution pilotée à l' admission et à l' échappement ) permettant d' une part l' optimisation des performances dynamiques en réponse à une sollicitation en couple et d' autre part ( sans perte de performance ) la minimisation des émissions polluantes . Ceci est un résultat important et riche pour la suite des développements en contrôle moteur . Offrir une solution pertinente , crédible , générique , robuste et facile de réglage était déjà un fait délicat pour un moteur essence dans une configuration standard . Alors offrir une telle solution pour une configuration éminemment plus complexe ( suralimentation , distribution variable , ... ) n' a été ici possible que par la symbiose d' une équipe de chercheurs complémentaires entre énergéticiens et automaticiens . Aujourd'hui , si nous pouvons nous satisfaire d' offrir une telle solution , celle  -ci est aussi la porte ouverte à de nombreuses perspectives de recherche tant sur les variables physiques à contrôler , sur les consignes à définir pour ces variables et sur l' optimisation des trajectoires dynamiques à y associer . Nous reviendrons sur ce point dans le chapitre suivant . J' ai très largement contribué au développement de l' activité de recherche en contrôle moteur au sein de l' équipe moteur du LME . Je suis fier d' en avoir été le maître d' oeuvre . Je suis vraiment très satisfait ( même si j' en étais convaincu par avance ) de constater l' efficacité et le bien fondé d' une équipe contrôle moteur constituée de chercheurs confirmés en automatique et en énergétique , de jeunes doctorants en automatique ou en énergétique , s' appuyant sur des moyens expérimentaux les plus modernes qui soient . 3 PROJET DE RECHERCHE La recherche est ainsi faite qu' elle nous passionne , qu' elle mobilise notre énergie à chaque instant . Combien de fois il m' est arrivé d' y rêver , de surprendre mon esprit ainsi parti divaguer sur quelques pistes , idées ou développements . C' est sans aucun doute ce qui en fait toute sa valeur . Bien loin de l' ingénieur , du cadre qui n' a pour seule liberté que de ... ? Quelle liberté a -t-il donc ? La recherche elle nous donne ce prétexte , cette obligation , ce devoir d' être libre d' explorer milles pistes pour parfois ne même pas en retenir une ... La recherche appliquée à ceci de particulier qu' elle nous fixe des contraintes et des obligations mais aussi qu' elle nous offre des problématiques très précises et très pointues qui n' entendent aucune réponse approximative ou inadaptée . Les esprits sont ainsi faits que certains ne savent s' exprimer sous ces contraintes alors que d' autres ( tels que moi ) ne savent s' exprimer sans ces contraintes . Dès lors mon projet de recherche est simple : continuer ... 3.1 COMMANDES A BASE DE MODELES POUR LES SYSTEMES NON LINEAIRES La complexité des systèmes que l' homme sait dorénavant engendrer est telle , pire les contraintes imposées notamment sur les performances de ces mêmes systèmes sont telles , que l' optimisation du fonctionnement de ces systèmes ne peut plus se développer sur le bon sens ou l' expérience . Enrichir , améliorer , préciser la connaissance embarquée de ces systèmes est l' élément majeur qu' il faut développer pour en assurer le meilleur contrôle possible . Dans le domaine des systèmes non-linéaires les champs de recherche sont encore nombreux tant sur les observateurs , les outils de modélisation ou sur les schémas de commande ainsi que sur leurs propriétés ( convergence , stabilité , précision , robustesse , ... ) . En particulier , travailler sur : * des schémas d' observation bouclés avec analyse de la stabilité et de la convergence , * des outils et méthodes génériques de construction , de paramétrisation , d' optimisation et de validation des modèles non linéaires ( par exemple neuronaux ) , * des schémas de commandes optimales ( à bases de modèles ) avec analyse de robustesse , tels sont les points que je juge les plus importants à développer . 3.2 OPTIMISATION GLOBALE SUR HORIZON INCONNU Un problème particulier est posé dans l' application " motorisation d' une automobile " : minimiser la consommation et les émissions réglementées sur un ensemble de sollicitations prédéfinies sous contraintes d' assurer des performances imposées . Comment se traduit cet objectif et en quoi est -il particulier ? Tout d' abord il faut savoir que les sollicitations prédéfinies sont en réalités un ensemble de scénarii de sollicitations exprimées en fonction du temps ( typiquement les cycles d' homologation , tels le cycle NEDC ) mais que la consommation et les émissions s' expriment comme des variables intégrales sur la durée complète du scénario . Par ailleurs , les performances s' expriment soit par des profils de vitesse véhicule imposés en fonction du temps ( avec une tolérance autour de chaque valeur à chaque instant ) soit par des grandeurs intégrales ( tel le temps pour parcourir 1000 mètres pour un départ arrêté ) . On peut tout a fait optimiser le fonctionnement moteur de façon autonome , mais le système moteur est jugé , au final , dans son intégration au véhicule . Ce jugement est réalisé pour partie sur des grandeurs intégrales sur des scénarii définis temporellement . Jusqu'à présent le fonctionnement moteur a été optimisé de manière autonome , ce qui est déjà une erreur , mais surtout sur des points de fonctionnements stabilisés . Ceci est complètement à remettre en question . En effet , considérer que le fonctionnement d' un moteur à combustion dans son intégration au véhicule pourrait être vu comme une succession de points stabilisés est une erreur . L' optimisation locale en tout point ( considéré comme stabilisé ) d' un scénario n' est sans aucun doute pas la meilleure solution . Nous l' avons par exemple montré dans le cas d' un moteur essence à distribution piloté . L' idée d' une optimisation globale avec notion de trajectoire dynamique optimale est dès lors une porte ouverte sur un vaste champ de recherche . Cette optimisation ne peut être conduite que sur des scénarii prédéfinis ( par exemple des cycle de roulage ) mais dont on ne connaîtrait pas à un instant donné le futur . Il est en effet interdit de procéder à une optimisation du contrôle global supposant une connaissance du scénarii de sollicitations ( donc du futur ! ) . Cette optimisation est particulièrement nécessaire mais délicate dans le cas de motorisations hybrides . En effet , s' ajoutent alors à l' ensemble une contrainte sur la gestion de l' énergie embarquée ou stockée . D' autre part , le nombre de scénarii , la quantité de variables de commande , la complexité du système , etc. rend l' ensemble extrêmement difficile à optimiser . Enfin la grande disproportion entre l' échelle temporelle ( quelques degrés vilebrequin , donc quelques millisecondes ) du phénomène de combustion ( consommateur et polluant ) et l' échelle temporelle d' un cycle de conduite d' homologation ( quelques minutes ) soit rend les modèles comportementaux des véhicules et des moteurs incompatibles , soit engendre inévitablement des temps de simulation complètement rédhibitoires . Des travaux existent dans ce domaine , mais ils sont peut nombreux et beaucoup souffrent d' un manque de représentativité par l' utilisation notamment de modèles moteur bien trop simplistes au regard des moteurs aujourd'hui en développement ( injection directe , suralimentation multi-étages , distributions pilotée , etc ... ) et quasiment aucun ne s' appui sur des modèles d' émissions qui soient un minimum représentatifs . Par ailleurs beaucoup se sont intéressés à l' optimisation de la gestion de plusieurs sources énergétiques ( en particulier thermique et électrique ) pour réduire la consommation , mais très peu ont tenté d' optimiser selon une trajectoire dynamique le fonctionnement de chacune des sources . Travailler sur le développement de modèles de moteurs , de leurs émissions et de véhicules qui soient représentatifs et compatibles entre eux est déjà un point essentiel . Mais il faut également intégrer la contrainte d' avoir des temps de calcul réduits , compatibles avec l' utilisation de méthodes d' optimisation dans l' écriture de ces modèles . Un autre point essentiel du développement de la recherche en contrôle moteur est de définir la trajectoire dynamique optimale qui minimise au global , selon des termes intégraux , la consommation et les émissions polluantes . Ceci sous la contrainte de répondre aux performances dynamiques et énergétiques exigées . BIBLIOGRAPHIE [ AND 99 ] J. ANDRZEJEWSKI , J. C . BERGE , Travail et Puissance Mécanique , Techniques de l' Ingénieur , 1999 [ ANW 02 ] S. ANWAR , Predictive control algorithm for an anti-lock braking system for an automotive vehicle , Visteon Global Technologies Inc patent , 8 Feb . 2002 . [ AQU 81 ] C. AQUINO , Transient A / F control characteristics of the 5 liter central fuel injection engine , SAE paper 810494 , 1981 [ BAR 00 ] C. BARBA and C. BURKHARDT . 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