Semestre 8 - Parcours Systèmes Electriques du Futur (SEF)

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Utiliser des architectures de commande basées sur des correcteurs linéaires d'ordre faible de type P, PI ou PID permet de réaliser la commande d'une certaine classe de systèmes avec de très bonnes performances mais comment faire si le système en boucle ouverte est déjà d'ordre 4,5,..10,..,100,.. comme le sont une grande majorité des systèmes autour de nous et dans l'industrie (systèmes électriques comme des convertisseurs, des actionneurs électriques ou des réseaux; mais aussi des systèmes de production d'énergies renouvelables, des véhicules, des robots, des chaînes de productions, des systèmes de chauffages, des systèmes économiques,..). Les correcteurs précédemment évoqués ont une action efficace sur plage de fréquence déterminée mais ont une efficacité limitée quand il s'agit de maîtriser le comportement dynamique d'un système d'ordre important, qui plus est, quand ses pôles sont éparpillés dans le spectre fréquentiel. Ce que propose ce cours est l'introduction d'un formalisme de modélisation dit "dans l'espace d'état" qui permet l'analyse et la synthèse de lois de commandes appropriées pour de tels systèmes, quelque soit leur ordre, que nous côtoyons au quotidien.

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1. Introduction à l’automatique des systèmes non linéaires

Limitation des méthodes linéaires, définition d'un système non linéaire et de son domaine de définition, les non linéarités les plus fréquentes les méthodes d'étude et leur classification

2. Méthode du premier harmonique

Principes et séries de Fourier, méthode de calcul de la transmittance équivalente, stabilité des auto-oscillations, exemples l’asservissement de température en TOR, de l’amplificateur saturé, correction linéaire des systèmes non linéaires

3 Méthode du plan de phase

Principe, méthode du calcul des trajectoires, principes de correction linéaire des systèmes non linéaires dans le plan de phase, représentation d’état

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À l’issue de ce cours, l’étudiant sera capable de :

1. Identifier la nature des phénomènes non linéaires présents dans un système étudié (saturation, rotation, bilinéarité, couplage entre dynamiques, discontinuités, etc.) ;
2. Calculer les points d’équilibre d’un système non linéaire ;
3. Distinguer les différentes notions de stabilité (locale, globale, asymptotique, exponentielle) ;
4. Appliquer la première méthode de Lyapunov pour analyser la stabilité d’un système non linéaire, notamment en étudiant la stabilité du système linéarisé autour d’un point de fonctionnement ;
5. Appliquer la deuxième méthode de Lyapunov pour analyser la stabilité du système non linéaire, en particulier pour les grands signaux, et estimer le domaine de stabilité si nécessaire ;
6. Synthétiser différents types de lois de commande non linéaire afin de garantir des performances optimales en boucle fermée (commande Bang-Bang, commande par mode glissant, commande par retour d’état linéarisant).

En complément des séances de cours, les travaux dirigés permettent aux étudiants de manipuler ces concepts et de les appliquer à l’analyse et à la commande de systèmes réels présentant des non-linéarités. Enfin, un projet de synthèse et d’implémentation de lois de commande non linéaire pour un problème de poursuite de trajectoire d’un robot mobile à roues est proposé. Ce travail est réalisé en simulation, dans le cadre d’un bureau d’étude encadré.

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Cette série de travaux pratiques portera sur les notions de (i) Commande par Retour d’État et Observateurs pour un Système Instable, (ii) Stabilité au sens de Lyapunov et Commande Non-Linéaire d’un système Non-Linéaire(iii) Étude des Auto-Oscillations dans les Systèmes Non-Linéaires. Le travail réalisé permettra à l’étudiant d’acquérir les compétences suivantes :

1. Modélisation de procédés : Identification des équations dynamiques et des paramètres physiques ;
2. Analyses de stabilité : Calcul des points d’équilibres d’un système non-linéaire, analyse de stabilité locale au sens de Lyapunov, estimation du domaine de stabilité et visualisation des trajectoires du système avec un outil graphique (pplane) ;
3. Synthèse de loi de commande par retour d’état : Assurer précision et régime transitoire compatible avec le domaine de fonctionnement ;
4. Conception d’une commande basée-observateur : Reconstruction des états non mesurables ou de mauvaise qualité du système avec un observateur d’état, puis insertion de l’observateur dans une boucle de commande ; 
5. Conception de loi de commande de type mode glissants pour un système fortement non linéaire ;
6. Simulation des différentes solutions sur Matbal/Simulink ;
7. Validation expérimentales sur différentes maquettes : dispositif de type pendule (grue ou pendule inversé), caractérisé par un ordre élevé (4°) et la présence de pôles instables, système Non-Linéaire bille sur rail, synchronisation de la position de trois disques reliés par des fils de torsion entrainés par un moteur de type brushless

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La commande numérique d’un système en temps réel fait apparaitre des contraintes très fortes sur l’architecture numérique utilisée qui doit donc être très différente des architectures traditionnellement utilisées sur un PC. Ces contraintes seront donc analysées et traduites en besoins sur l’architecture numérique.

Le contrôle numérique de système fait également apparaitre de façon centrale la notion de capteur afin de connaitre l’état du système à piloter. Il sera donc proposé d’une part une étude des propriétés et défauts principales des capteurs et d’autre part l’étude des systèmes de conversion de l’analogique vers le numérique et inversement.

Les besoins en termes de performances (calcul numérique, échantillonnage rapide) dans le cadre de la commande numérique nous amènerons à étudier les dernières avancées en termes d’architecture des microprocesseurs en vue de cette augmentation de la performance.

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L'objectif est d'amener les étudiants à développer l'ensemble des fonctionnalités nécessaires à la régulation de vitesse d'une machine DC Brushless. Le travail est réalisé en binôme, chacun d'entre eux possédant une maquette pour les réalisations expérimentales.

L'autopilotage est réalisé à partir d'une logique de contrôle numérique mettant en œuvre une modulation de largeur d'impulsion développée en langage VHDL et de capteurs de position.

Un capteur de vitesse est ensuite conçu , toujours en VHDL, pour permettre la mesure nécessaire à la régulation de vitesse.

Les étudiants conçoivent alors l'ensemble de l'algorithme de pilotage en vitesse, de la simulation à  l'implantation sur processeur en utilisant le langage C.

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Modélisation de systèmes séquentiels à événements discrets. Modélisation et enchaînement fonctionnels. Machine d'Etat et GRAFCET (SFC Sequential Functional Chart). Equations logiques equivalentes et implémentation du code structuré executable mono processeur. Technologie des API Automates Programmables Industriels (PLC Programmable Logic Computer).

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Mise en œuvre pratique sur logiciels et parties opératives variées. environnement de developpement, festo, uNity, pl7 dispositifs: transbordeur, magasin rotatif, Factory virtuelle, distributeur vertical

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Le cours « Dimensionnement moteur pour véhicule électrique » aborde les principes fondamentaux du choix et du dimensionnement des machines électriques utilisées dans les véhicules à propulsion électrique. Les étudiants y apprennent à relier les exigences dynamiques du véhicule (couple, vitesse) aux caractéristiques du moteur et de son système d’alimentation. Le programme couvre les moteurs synchrone à aimants permanents et leurs méthodes de modélisation au premier ordre.  Le cours « Elements de conception des associations CVS-machines» aborde les principes de couplage entre les convertisseurs statiques (CVS) et les machines électriques (asynchrones, synchrones, à aimants permanents, etc.). Il présente les modèles électriques, les stratégies de contrôle, les contraintes de puissance et de rendement. Des études de cas et des simulations permettront d'illustrer les options de conception et d'intégration en fonction des applications (traction, systèmes intégrés au réseau).

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Faire fonctionner un convertisseur autour d'un point de fonctionnement donné décrit par un ensemble de valeurs figées de rapports cycliques ou d'états de cellules de commutation est une première approche en boucle ouverte qui ne permet pas de garantir l'atteinte du point de fonctionnement visé. Aussi, il n'est alors pas possible d'atteindre des performances dynamiques pourtant cruciales au bon fonctionnement des systèmes électriques (qualité harmonique des signaux électriques, qualité de l'énergie électrique et facteur de puissance, rejet de perturbations, régulation de niveaux de courants et de tensions, zones de fonctionnement étendues..). Ce que propose ce cours est donc des savoirs et des méthodologies avec dans l'objectif de concevoir des architectures de commande des convertisseurs statiques afin de conférer à ces systèmes de conversion d'énergie des performances indispensables au fonctionnement des infrastructures électriques terrestres et embarquées

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Ce cours permet aux étudiants de mobiliser les compétences acquises en automatique et en modélisation des machines électriques pour concevoir des variateurs de vitesse destinés aux machines électriques alimentées par onduleurs.

Pour atteindre cet objectif, le premier chapitre présente le principe de la commande d’une machine à courant continu, qui constitue la base de la commande des machines électriques triphasées. Un rappel des différents modèles des machines synchrones et asynchrones est effectué, en précisant les limitations de leur utilisation pour la synthèse de lois de commande.

Ensuite, à l’aide de la transformée de Park, des modèles dédiés à la commande des machines synchrones et asynchrones sont présentés, en détaillant les particularités de chaque type de machine. Ces modèles servent de base pour la conception de la commande dans les variateurs de vitesse pour les différentes machines. Les méthodes de synthèse des boucles de régulation (couple électromagnétique, vitesse, position) sont exposées, en discutant les limitations imposées par la machine (limitation en courant) et par l’onduleur (tension limitée). Des méthodes de modulation de largeur d’impulsion (MLI) pour la commande de l’onduleur par les régulateurs continus sont également présentées.

Enfin, la possibilité d’atteindre différents points de fonctionnement dans le plan couple-vitesse est abordée, en détaillant les stratégies de calcul des références pour les deux types de machines. Les problématiques spécifiques au pilotage en haute vitesse sont introduites.

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Le projet consiste en la conception d’une chaîne électromécanique dans un contexte de traction pour véhicule électrique de type voiture citadine. Cette conception met en œuvre une démarche globale qui, à partir d’un cahier des charges donné, commence par l’analyse du cahier des charges et le dimensionnement du moteur électrique. Une fois le moteur dimensionné, celui-ci vient être alimenté par un onduleur raccordé à la batterie du véhicule. La chaîne électromécanique alors obtenue est analysée afin de déterminer les limites de fonctionnement dont l’ensemble est capable. Cette analyse est indispensable pour comprendre comment concevoir la stratégie de pilotage de l’ensemble. L’architecture de commande du système ainsi que les stratégies de commande associées sont alors élaborées pour amener le système à atteindre les différents points de fonctionnement requis par le cahier des charges.

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En principe, cet enseignement suit le plan suivant :

- présentation des mécanismes physiques mis en jeu et des technologies de semi-conducteurs de puissance : unipolaire, bipolaire, HEMT 2DEG, substrat Si, SiC, GaN, nouveaux matériaux et composants hybrides avancés. Technologies actuelles grand-gap et futures ultra-grand-gap.

- rappel des fondamentaux de la commutation sur cellule DC/DC. Introduction du vocabulaire et des définitions.

- élaboration du modèle statique et dynamique par éléments de circuits équivalents du transistor MOSFET et IGBT. Cas du RC-IGBT. Introduction du modèle de la diode à jonction PN et de la diode à barrière Schottky. Approfondissement sur la modélisation non-linéaire des capacités structurelles. Analyse de la conduction en inverse 3ème quadrant du MOSFET.

- application de la conduction inverse du MOSFET en DC/DC "synchronous buck" et AC/DC "redressement synchrone".

- analyse de la commutation "dure" : modélisation du di/dt, dv/dt, des oscillations et degrés de liberté sur compromis pertes – EMI. Sur-courant, sur-tension et oscillations : techniques de réduction. Lien avec le cours de 3A – Fiabilité.

- volet technologique : réduction de l'inductance parasite de maille de commutation par circuit de puissance busbar sur "plaques" ou sur PCB multi-couches. Réduction de la maille de grille. Introduction à l'intégration de puissance.

- principes de la commutation "adoucie" (snubber) et auxiliaires de commutation.

- exemple de convertisseur dit quasi-résonnant.

- introduction à la commutation "douce" : convertisseurs DC/DC sur filtre LC à large ondulation. Propriétés, avantages – inconvénients et domaines d'application.

- lien avec les topologies DC/AC : MLI commutation "dure" et pleine onde commutation "douce" (introduction au cours 3A CERE).

Deux séances de TD suivent le dernier cours et permettent aux étudiants de s'exercer à l'analyse des formes d'ondes de commutation sur PLECS et à l'utilisation des degrés de liberté sur le gate-driver pour satisfaire à des compris entre réduction des pertes par commutation et maitrise des contraintes dynamiques (di/dt, dv/dt).

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Plan du cours:

• Rappels de thermique – Equation de la chaleur – Conduction
– Convection

– Rayonnement
– Méthode nodale
• Thermique des semiconducteurs
• Recherches actuelles et perspectives
5 créneaux de cours magistraux sont suivis d’un bureau d’étude au cours duquel les étudiants vont pouvoir mettre en pratique les méthodes de modélisation et différents outils numériques.

Le compte-rendu du BE sert d’évaluation pour ce module.

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Le pilotage d’une cellule de commutation fait apparaître un certain nombre de difficultés principalement dû au fait d’une part que ces systèmes traitent une puissance non négligeable (plusieurs kWatts) et d’autre part que les interrupteurs de puissance de la cellule commutent à des fréquences élevées (plusieurs dizaines de kHertz). Dans un environnement fortement contraint temporellement, il est proposé de réaliser la commande numérique du courant dans une cellule de commutation.

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Cet enseignement est une introduction aux dispositifs électroniques de puissance pour le contrôle de la puissance réactive dans les réseaux de transport d'énergie électrique. Les principes des compensations parallèle et série sur les lignes électriques sont présentés. Les réalisations à base de réactances contrôlées par thyristors et par gradateurs à découpage sont présentées.

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Cet enseignement présente les aspects technico-économiques du photovoltaïque et de l’éolien.

Photovoltaïque : de la cellule photovoltaïque au système, rayonnement solaire, conversion photovoltaïque, panneaux photovoltaïques, centrales de production, coût, impact environnemental.

Eolien : Caractérisation de la ressource éolienne (le vent), effets d’altitude et de sillage, éléments théoriques (limite de Betz) sur le productible éolien et sur l’efficacité énergétique des aérogénérateurs ;  du contrôle mécanique par réglage des pâles aux zones de fonctionnement du démarrage à l’arrêt en sécurité.

Constitution des aérogénérateurs électriques : nacelles avec et sans multiplicateur de vitesse.

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Un semestre de 12 séances interactives et hebdomadaires. Structurer et présenter une communication scientifique ou technique claire, cohérente et adaptée au public visé. Décrire, analyser et interpréter en anglais des données chiffrées, des représentations graphiques et des résultats techniques. Rédiger en anglais technique des descriptions de processus, de méthodes et de systèmes en respectant les conventions du registre professionnel et scientifique. Appliquer les principes d’intégrité académique ainsi que les normes de communication professionnelle dans les productions écrites et orales. L’évaluation comprend des présentations orales, individuelles et collectives, de nature scientifique ou technique, permettant d’apprécier la clarté du propos, la structuration du discours et l’efficacité de la communication. Elle inclut également une évaluation écrite individuelle portant sur la rédaction technique — description de processus, de données ou de systèmes — afin d’évaluer la précision, la cohérence et la maîtrise du registre professionnel et scientifique.

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Un semestre de 12 séances interactives et hebdomadaires. Développement des compétences en communication professionnelle, incluant l’interaction orale, la rédaction de documents professionnels, la compréhension de supports authentiques, ainsi que l’autonomie, l’esprit critique et les compétences interculturelles. Évaluation par niveau basée sur des productions écrites, des prestations orales individuelles ou en groupe, et une évaluation continue de l’attitude et de la participation en classe.

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Pour une EPS inclusive, adaptée et motivante, l'étudiant pourra

-choisir les activités supports parmi une vingtaine, dans des modes de pratiques variées : développement personnel, activité de découverte, activité projet,  activité artistique, activités compétitives, 

-renforcer les compétences psychosociales, en multipliant les situations collectives et d'interactions sociales (coopération, intelligence collective, s'engager dans différents rôles sociaux)

-se tester et se responsabiliser au regard de son "Score santé" personnel

-apprendre en situation expérientielle.

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Un semestre de 12 séances interactives et hebdomadaires, structuré en deux modules, visant le développement de compétences transversales liées à la posture professionnelle, à la connaissance de soi et à l’enrichissement du e-portfolio numérique. Élaboré avec des enseignants experts issus des écoles partenaires, cet enseignement est complété par des ateliers CV/entretien professionnel et des conférences métiers animées par des professionnels et partenaires industriels, afin d’élargir la compréhension des environnements de travail.

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Une initiation à l'entrepreneuriat est proposée à tous les étudiants au cours du semestre 5, dans le cadre des semaines CMS consacrées au développement de carrière, sous la forme d'une journée d'initiation aux compétences entrepreneuriales créatives organisée en collaboration avec la formation à l'entrepreneuriat Ecrin de l'université de Toulouse. La formation EO comprend des sessions spécialisées sur des thèmes liés à l'entrepreneuriat et la participation à des événements sur l'entrepreneuriat proposés par différents acteurs.

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À la fin du module Finance, les étudiant.e.s auront : 

• identifié les principes fondamentaux de la finance d'entreprise
• analysé les raisons qui sous-tendent les principales décisions financières des entreprises et 
• acquis une meilleure compréhension de ce qui constitue la mentalité de la finance d'entreprise. 

À la fin du module Stratégie, les étudiant.e.s auront :

• exploré la boîte à outils stratégique pour les managers
• identifié et appliqué les principaux outils stratégiques 
• appliqué les outils stratégiques à des cas concrets.

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