PRINCIPAUX THEMES DE RECHERCHES
1 Introduction
En automatique, il se révèle parfois difficile de représenter un système complexe par un modèle qui traiterait les aspects particuliers et tous ces comportements. Les origines du problème représentation sont multiples, on peut citer par exemple une grande complexité des phénomènes physiques, présence de non linéarité, de singularité, de retard, etc. Par conséquent, l’automaticien doit comprendre au mieux les phénomènes régissant le comportement de ces procédés afin d’établir des lois de commande performantes à partir d’outils mathématiques.
Dans mes travaux de recherches, je me suis intéressé essentiellement à l’analyse et la synthèse des systèmes singuliers avec ou sans retard. Récemment, j’ai étendu mes travaux à l’étude de certaines classes de systèmes non linéaires avec ou sans retard.
L’automaticien doit aussi s’intéresser à des performances moins impératives mais plus sophistiquées que la stabilité. Différentes méthodes de commande sont apparues permettant ainsi d'assurer certaines performances, telles que : le rejet de perturbations, les performances temporelles (temps de réponse, amortissement, pulsation amortie) etc. On peut citer, par exemple, la commande quadratique, la localisation des pôles du système bouclé dans une région du plan complexe (D-stabilité), la commande H¥ et la commande robuste. Dans ce contexte, j’ai développé de nouvelles méthodes d’analyse et de synthèse de lois de commande robuste permettant d’améliorer les performances des systèmes étudiés.
2 Systèmes à retards
Les systèmes à retard représentent une classe de systèmes de dimension infinie largement utilisée pour la modélisation et l’analyse de phénomènes de transport et de propagation (de matière, d’énergie ou d’information). Ils apparaissent naturellement dans la modélisation de processus rencontrés en physique, mécanique, biologie, écologie, physiologie, économie, épidémiologie, dynamique des populations, chimie, aéronautique, aérospatial etc. Dans nos travaux, nous considérons le cas où le système comporte un retard, soit sur l’état, soit sur la commande, dans la structure de son modèle. En effet, dans la réalité, il n’existe pas de systèmes physiques réels sans retard. Mais dans la plupart des cas et pour la simplicité de l’étude, le retard est supposé négligeable. Cette approximation introduit souvent des erreurs dans l’analyse et la synthèse de cette classe de systèmes. Les problèmes considérés tout au long de nos travaux concernent l’étude de la stabilité et de la stabilisation des systèmes à retard (linéaires et non linéaires, également dans le cas singuliers). Dans ce cadre, deux thèses, en coopération avec le professeur Driss MEHDI (responsable du groupe de recherche « systèmes multivariables et commande robuste » du Laboratoire d’Automatique et Informatique Industrielle (LAII) à Poitiers, France), ont été déjà soutenues. Une troisième thèse, en cotutelle avec le professeur Ahmed ELHAJJAJI (responsable de l’équipe de recherche « commandes et véhicules » du Laboratoire d’Modélisation, Information et Systèmes (MIS) à Amiens, France) vient d’être achevée dont la soutenance est programmée en septembre 2011 :
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La première thèse est sur l’analyse et la synthèse de lois de commande robuste des systèmes à retard avec le chercheur M. SAADNI.
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Dans la même optique une seconde thèse a été accomplie avec le chercheur W. KACEM, dans ces travaux recherches, il s’est intéressé essentiellement à la stabilité et stabilisation exponentielle des systèmes à retard, dans les cas des retards multiples, constants et/ou variables dans le temps, ainsi que le cas des systèmes certains et incertains. Il a traité également le problème de stabilité et de stabilisation d'une classe de systèmes non linéaires. Deux classes de systèmes non linéaires à retard ont été étudiées. La non linéarité considérée est de type sectorielle. Le candidat a développé une méthode de synthèse d’une loi de commande par retour d’état pour la classe des systèmes non linéaires à retard constant. Ensuite, il s’est intéressé aux problèmes d’analyse et de synthèse d’une classe de systèmes non linéaires à deux composantes de retards variables successives et additives. Des résultats intéressants utilisant l’observateur de Luenberger généralisé ont été obtenus afin d’estimer l’état des systèmes non linéaires à retard constant. En outre, il a développé un contrôleur à base d’observateur afin de garantir la stabilité asymptotique en boucle fermée.
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Une troisième thèse avec le chercheur M. GASSARA, en cotutelle avec le professeur Ahmed ELHAJJAJI (responsable de l’équipe de recherche « commandes et véhicules » du Laboratoire d’Modélisation, Information et Systèmes (MIS) à Amiens, France), est en phase finale. Elle porte sur l’analyse et la synthèse de lois de commande robuste des systèmes à retards représentés par des modèles flous de type Takagi-Sugeno (T-S) assurant certaines performances (rejet des perturbations H¥, variations paramétriques, etc.). En outre, on s’est intéressé au problème de synthèse d’observateurs avec contrôleur dans le cas de la commande par retour d’état et par retour de sotie pour la classe de systèmes considérée. Dans cette thèse, le candidat a traité, également, le problème de la synthèse d’une commande PDC tolérante aux défauts actionneurs à base d’observateur pour les modèles T-S retardés perturbés.
3 D-stabilité et Commande robuste
Ces dernières années, l'étude des systèmes singuliers a attiré l’attention de plusieurs auteurs en raison de leur aptitude à une représentation meilleure des systèmes réels. Dans mes travaux, je me suis intéressé particulièrement aux systèmes décrits par des équations différentielles et algébriques, dits systèmes singuliers, dans le cas linéaires et non linéaires. Ils comportent des relations impliquant les dynamiques des variables au cours du temps, mais aussi des relations algébriques entre ces mêmes variables. Ces équations algébriques permettent d'intégrer des relations statiques qui autorisant les variables d'état à conserver leur signification physique.
En se basant sur une transformation bilinéaire, certains problèmes relatifs aux systèmes singuliers ont été résolus. Cette transformation, nous a permit de vérifier la commandabilité, de calculer la fonction transfert, de concevoir un correcteur à retour Proportionnel Dérivée (PDF) permettant d’éliminer les modes impulsifs et d’effectuer le placement de pôles. Récemment, nous avons proposé une méthode de découplage des systèmes singuliers. Cette dernière méthode est exploitée essentiellement dans le cas où le système n’est pas statiquement découplable (pas de retour d’état statique).
La D-stabilité correspond à l’appartenance des valeurs propres du système, représenté par le faisceau de matrices  , à une région du plan complexe notée D. En effet, le placement des pôles dans une région du plan complexe est en rapport avec les performances temporelles des systèmes tels que le temps de réponse, l’amortissement, le dépassement et la pulsation amortie.
Dans l’étude de l’automatisation des systèmes, il s’avère que la phase de modélisation n’aboutit que très rarement à un modèle traduisant avec fidélité le comportement réel du système. En effet, des erreurs de modélisation peuvent provenir de dynamiques négligées, de linéarisation effectuée, d’une mauvaise connaissance de certains éléments du système etc. Par conséquent, il est intéressant d’examiner quantitativement la dégradation en performances et de déterminer des méthodes de commande tenant compte des éventuelles incertitudes. Ces techniques consistent alors à calculer des lois de commande qui permettent aux systèmes de conserver un certain niveau de performances malgré les incertitudes affectant le modèle. Ces lois de commande sont qualifiées de lois de commande robuste.
Afin d’assurer les performances citées, différentes méthodes ont été développées pour le cas des systèmes singuliers. Dans ce cadre, une thèse, en cotutelle avec le professeur Driss MEHDI (responsable du groupe de recherche « systèmes multivariables et commande robuste » du Laboratoire d’Automatique et Informatique Industrielle (LAII) à Poitiers, France), a été déjà soutenue en décembre 2008. Dans le même cadre, une seconde thèse est programmée à partir de septembre 2011 :
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La première thèse a été effectuée avec Melle W. REJICHI. Dans son travail de thèse, elle a traité le problème d’analyse et de synthèse robuste des systèmes singuliers par placement de pôles dans une région du plan complexe. Le domaine de stabilité est caractérisé à une région du plan complexe notée D. L'appartenance de toutes les valeurs propres du système à une région (génériquement notée D du plan complexe autre que le demi-plan gauche nous renseigne sur le niveau de performance. Cette propriété est connue sous le vocable D-stabilité (root-clustering en anglais). La condition établie pour l'admissibilité a permis de proposer une extension du lemme Kalman-Yakubovich-Popov (KYP) généralisé à des régions pour les systèmes singuliers. Cette version est considérée comme un outil d'analyse et de synthèse en D-admissibilité facile à exploiter numériquement et satisfaisant plusieurs critères de performance telle que le placement de pôles, le lemme borné réel ou la positivité réelle.
4 Synthèse d’observateurs à entrées inconnues et détection de défauts pour les systèmes non linéaires
L’utilité des capteurs logiciels pour la commande des procédés industriels est de nos jours indéniable. Du fait de la présence de non linéarités dans les processus physiques et à cause du manque de capteurs fiables ou de la difficulté de leur mise œuvre, les approches disponibles pour l'analyse et la synthèse des systèmes linéaires deviennent insuffisantes et peuvent conduire à des résultats peu satisfaisants. Dans ce cadre, une thèse a été effectuée (juillet 2011), avec le chercheur M KAMEL, qui traite le problème de la synthèse d’observateurs de certaines classes de systèmes non linéaires afin de mettre en œuvre des algorithmes d’observation et d’estimation pour la reconstitution conjointe des variables d’états et des entrées inconnues à partir des entrées-sorties disponibles. Quelques résultats sont obtenus en utilisant la méthode du grand gain pour une classe de systèmes non linéaires lipchitzienne. Les performances des résultats obtenus sont illustrées à travers des résultats de simulation d’un système de système de traitement des eaux usées biologique. D’autres approches sont en cours de développement utilisant l’approche LMI dans le cas où la non linéarité est de type sectorielle.
En outre, nous nous sommes intéressés aux problèmes de diagnostic des systèmes non linéaires décrits par des multimodèles tout en utilisant l’approche des systèmes singuliers. Dans cette optique, une thèse avec le chercheur Melle BOUATTOUR, en cotutelle avec le professeur Ahmed ELHAJJAJI (responsable de l’équipe de recherche « commandes et véhicules » du Laboratoire d’Modélisation, Information et Systèmes (MIS) à Amiens, France), a été soutenue (décembre 2010) :
Cette thèse porte sur le problème de synthèse d’observateurs pour des classes de systèmes non linéaires permettant l’estimation les états et les entrées inconnues en utilisant principalement la méthode de multi-modèle, la représentation singulière et l’approche des Inégalités Matricielles Linéaires (LMI). Dans ce cadre, nous avons développés un observateur pour une classe de systèmes non linéaire représentée par un modèle flou de type T-S, soumis à des défauts capteurs et actionneurs f(t) et des perturbations d(t) contrôlé par une entrée de commande, à partir d’observation des sorties. En outre, la candidate s’est intéressée au problème de synthèse de Contrôleurs Tolérants aux Fautes (FTC). Elle a traité, également, les problèmes de diagnostics tels que la génération de résidus et l'estimation de fautes avec atténuation de perturbations.
5 Description, diagnostic et commande des systèmes électriques et photovoltaïques
Dans cette thématique, l’objectif primordial consiste à développer de nouvelles techniques de commande et d'analyse des systèmes complexes tels que la machine asynchrone et la machine synchrone, tout en réduisant le plus possible le pessimisme des résultats déjà établis. Ces systèmes peuvent être incertains ou bien décrits à travers un ensemble de multimodèles. Dans ce cadre, on s’est intéressé d’une part à la synthèse de lois de commande robuste soit pour la machine asynchrone soit pour la machine synchrone. D’autre part, on était motivé à développer des stratégies d’optimisation énergétique tout en exploitant les énergies renouvelables pour la commande des systèmes agricoles et industriels.
Commande machines électriques
Dans le cadre de la commande robuste de machines deux thèses ont été soutenues (décembre 2010), elles portent :
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Les travaux développés dans la première thèse (M. ALLOUCHE) représentent une contribution à la modélisation, l'observation, la commande et le diagnostic d'une machine asynchrone qui est un système complexe, non linéaire, difficile à modéliser avec précision à cause des variations paramétriques. La stratégie de commande par la méthode d’orientation de flux permettant ainsi, de piloter la machine asynchrone de façon similaire à une machine à courant continu est la base de tout schéma de contrôle.
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Les travaux développés dans la seconde thèse (J. KHEDRI) représentent une contribution à la modélisation, l'observation et la commande d'une machine synchrone. Dans ce cadre, on a traité le problème de suivi de trajectoire de la machine synchrone avec critère de performance défini par la norme H∞. Les lois de commande élaborées, se basent sur deux approches dont la première utilise la commande vectorielle alors que la deuxième consiste à approximer le processus par des modèles flous de type TS. La commande vectorielle, nous a permis de développer des techniques d’analyse et de commande permettant ainsi de garantir un certain niveau de performances transitoires. Cependant, il est intéressant d’adjoindre aux performances transitoires pour la synthèse du régulateur, une spécification de poursuite, afin d’obtenir une loi de commande robuste, à la fois en régulation et en poursuite.
Optimisation énergétique
L’optimisation de la consommation en énergie est devenue un objectif décisif dans la conception des systèmes de contrôle, de supervision et de diagnostic de défauts tout en maintenant les performances et les fonctionnalités exigées par ces systèmes. Parallèlement aux progrès atteints dans ce sens, la technologie de commande des processus ne cesse de progresser pour satisfaire au mieux les besoins agricoles, industriels et socio-économiques. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés aux problèmes de contrôle de processus complexes dans le domaine agricoles et industriels avec une optique d’optimisation de l’énergie ainsi qu’une recherche d’indépendance vis à vis des énergies pétrolières et ce en faisant appel à de nouvelles sources d’énergies renouvelables (solaire). Les investigations sont particulièrement desservies aux applications agricoles et industrielles tels que:
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les systèmes de contrôle de climat dans une serre agricole, systèmes d’alimentation en eau fonctionnant à l’énergie solaire (pompage de l’eau, distribution de l’eau pour l’irrigation, chauffage solaire, …) ;
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les systèmes de motorisation utilisant des techniques hybrides (systèmes convertisseurs moteurs, moteurs électriques, moteurs thermiques).
Deux projets de coopération de recherches sont en effectués. Le premier projet avec l’université de Poitiers (France) programmés dans le cadre du CMCU est intitulé «Application rationnelle de l’énergie solaire à la commande automatique des systèmes agricoles et industriels » N° 09G1114. Le second projet est avec l’université de Valladolid (Espagne) porte sur « Renewable Energy Technologies in agriculture control systems for Learning and research ». Dans le cadre de ces projets, nous avons faits l’étude, la conception et la réalisation d’un système photovoltaïque, constitué de quatre panneaux. Actuellement, ce banc d’essais est en phase de réalisation afin de pouvoir effectuer le test des résultats théoriques développés par nos chercheurs. Cette plate-forme expérimentale solaire sera mise en place pour satisfaire les besoins énergétiques des systèmes fortement liés à l’agriculture tels que la distribution de l’eau, le pompage d’eau pour l’irrigation, etc.
Actuellement un projet de recherche en cours EAC/03/2016, sur Wind Engineering Skills in Egypt and Tunisia/WESET 2017/2018-2018/2019-2019/2020-extented to 2021.
Le projet WESET est soutenu par le programme Erasmus +, Action 2, ‘’Renforcement des capacités dans l’enseignement supérieur.’’
Il suit les priorités identifiées dans «Accroître l’impact de la politique de développement de l’UE: un programme pour le changement» et ‘’L’enseignement supérieur européen dans le monde’’.
Le projet contribuera à réduire le manque d’ingénieurs qualifiés en ingénierie éolienne en Egypte et en Tunisie.
Le projet WESET soutient la stratégie de modernisation, de développement et d’internationalisation des institutions Egyptiennes et Tunisiennes partenaires, en alignant les masters avec les besoins de l’industrie et de la société et en créant des liens avec les institutions européennes.
Le projet contribuera à réduire le manque d’ingénieurs qualifiés en génie éolien en Égypte et en Tunisie, ce qui entrave l’utilisation du vent comme source d’énergie fiable, rentable et non polluante.
Nouveaux modules pour les étudiants en master sont élaborés. Les modules spécifiques en Wind Engineering créés sont inclus dans des Masters en Ingénierie existants (par exemple Master SEER à l’ENIS). En outre, des matériels de formation et des laboratoires d’expérimentation seront mis en place en Egypte et en Tunisie, ce qui favorisera les compétences des diplômés de Master requises dans le secteur de l’énergie éolienne.
Ces nouveaux programmes permettront aux diplômés de rejoindre les industries de l’énergie éolienne avec une solide expérience et des connaissances supplémentaires, ce qui répondra aux besoins de l’industrie. Ces nouveaux programmes de troisième cycle permettent d’établir un lien avec l’industrie pour produire des ingénieurs ayant les compétences nécessaires pour soutenir la croissance industrielle du secteur de l’énergie éolienne.
Différents projets de coopération de recherches sont effectués :
Afin de consolider les relations avec nos partenaires internationales deux projets de coopérations ont été mis en place le premier avec LAII-ESIP,
CReSTIC et MIS en France. Le second projet avec l’Université de Valladolid en Espagne.
Projet 1 : CMCU :
Projet de recherche scientifique et technique de type CMCU ²Comité Mixte pour la Coopération Universitaire²,
Ref. 09G-114, et ce, dans le cadre d’une coopération scientifique et technique entre la Tunisie et la France.
Titre du projet (2009-2012): Application rationnelle de l’énergie solaire à la commande automatique des systèmes agricoles et industriels.
Responsable Tunisien : Monsieur Mohamed CHAABANE (UCPI de Sfax).
Responsable Français : Monsieur Driss MEHDI (LAII de Poitiers)
Projet 2 : PCI – MÉDITERRANÉE :
Projet de Coopération Interuniversitaire et de recherche scientifique entre la Tunisie et l’Espagne de type PCI.
Ce projet a été renouvelé à trois reprises Ref. A/9428/07 et A/023792/09, et ce, dans le cadre d’une coopération scientifique et technique entre la Tunisie et l’Espagne.
Titre du projet 1 (2007-2009): Commande avancée de processus industriels Serre agricole, systèmes électriques
Titre du projet 2 (2009-2010): Application rationnelle de l’énergie solaire à la commande avancée des systèmes agricoles
Responsable Tunisien : Monsieur Mohamed CHAABANE (UCPI de Sfax).
Responsable Espagnol : Monsieur TADEO FERNANDO (université de Valladolid Espagne)
Titre du projet 3 (2011-2012): Renewable Energy Technologies in agriculture control systems for Learning and research
Responsable Tunisien : Monsieur Mohamed CHAABANE (UCPI de Sfax).
Responsable Espagnol : Monsieur Teresa ALVAREZ (université de Valladolid Espagne)
Projet 3 : CMPTM Comité Mixte Tuniso-Marocain :
Projet de Coopération de recherche entre la Tunisie et le Maroc de type CMPTM. Ce projet a été renouvelé à deux reprises,
Référence 12/TM06, intitulé «Technologies des énergies renouvelables pour l’irrigation et le contrôle des procédés industriels ».
Responsable Tunisien : Monsieur Mohamed CHAABANE (LabSTA, ENIS, Sfax).
Responsable Marocain : Monsieur Abdellah BENZAOUIA (Université de Marrakech)
Project 4 : Mobility ICM ERASMUS+KA107 - 2016/2017-2017/2018-2018/2019
Responsable Tunisien : Monsieur Mohamed CHAABANE (UCPI de Sfax).
Responsable Espagnol : Monsieur TADEO FERNANDO (université de Valladolid Espagne)
Project 5 : Mobility ICM ERASMUS+KA107 USfax_2019-2022_191, 2019/2020-2020/2021-2021/2022
Responsable Tunisien : Monsieur Mohamed CHAABANE (UCPI de Sfax).
Responsable Espagnol : Monsieur TADEO FERNANDO (université de Valladolid Espagne)
Project 6 : EAC/03/2016, Wind Engineering Skills in Egypt and Tunisia/WESET 2017/2018-2018/2019-2019/2020-extented to 2021.
Le projet WESET est soutenu par le programme Erasmus +, Action 2, ‘’Renforcement des capacités dans l’enseignement supérieur’’.
Le projet WESET vise à Transférer des connaissances et des technologies entre experts des institutions Européennes, Egyptiennes et Tunisiennes dans le domaine de l’ingénierie éolienne. Renforcer les liens entre le monde académique et l’industrie. Promouvoir les normes du processus de Bologne dans la région du Sud de la Méditerranée, en mettant l’accent sur l’employabilité.
Activités : Le consortium développera des modules et des laboratoires d’expérimentation adaptés au renforcement des capacités en énergie éolienne pour l’enseignement sur le campus en Égypte et en Tunisie, en liaison avec leurs industries nationales. Du matériel de formation sera produit pour quatre modules de master, en anglais et en français. Etc.
Responsable Tunisien : Monsieur Mohamed CHAABANE (LabSTA, ENIS, Sfax-Tunisie).
Responsable Espagnol : Monsieur TADEO FERNANDO (université de Valladolid Espagne)
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