Semestre 9 - Impact Entrepreneurship Low to Deep Tech 3EA

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• Dans ce cours, l’étudiant entre dans la peau d’un ingénieur en mission pour pour Thales Alenia Space, chargé de développer et implanter sur FPGA un analyseur de spectre. Il doit notamment remplir les tâches suivantes :
  • Analyse d’architecture de systèmes de traitement du signal
  • Création d’une IP par synthèse haut niveau en C++ (HLS)
  • Codage et synthèse de l’architecture et de l’IP en VHDL
  • Vérification
  • Implantation sur FPGA
  • Test sur carte

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1. Introduction

• Présentation des enjeux du test et de la simulation de fautes.

• Importance de la sûreté de fonctionnement dans les circuits intégrés modernes.

2. Notions de base

• Mécanismes destructeurs : usure, vieillissement, défaillances physiques.

• Techniques de protection : redondance, durcissement des circuits.

• Sûreté de fonctionnement : fiabilité, disponibilité, maintenabilité.

3. Test des circuits logiques

• Fautes et modèles : fautes classiques (stuck-at, transition, retard…), modèles de fautes.

• Génération du test : ATPG (Automatic Test Pattern Generation), couverture de fautes.

• Circuits séquentiels : test des registres et automates.

• Test des mémoires : défaillances spécifiques, algorithmes de test mémoire (March, BIST).

4. Conception en vue du test (DFT – Design for Testability)

• Principe : améliorer la testabilité dès la conception du circuit.

• Techniques génériques : scan chains, testabilité structurée.

• Test semi-intégré (BIT – Built-In Test) : principes et applications.

• Test intégré (BIST – Built-In Self-Test) : architectures et implémentation.

5. Test des circuits analogiques, mixtes et RF

• Spécificité : différences avec le test des circuits numériques.

• Méthodes de test : test paramétrique, test fonctionnel.

• DFT pour circuits analogiques et RF : stratégies et défis.

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Plan du cours :

• Introduction

–        Advantages of using switching power supply

• Buck converter

–        Principle of operation

–        Continuous and Discontinuous Current Modes (CCM, DCM)

–        Losses and efficiency

–        Overview of closed-loop stability study

• Boost converter

–        Principle of operation

–        Continuous and Discontinuous Current Modes

–        Overview of closed-loop stability study

• Multiphase converter

–        Principle of operation

–        Transient response performances and filter reduction

• DC-DC Converter Regulation Loop Analysis

–        Theoretical analysis of switched systems using state variables

–        Different types of control loops

–        Considerations for the controller design

•  Buck : Voltage and Voltage/Current loop cases
•  Boost & Buck- Boost : Voltage and Voltage/Current loop cases

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Plan du cours :

• Part 1:
   Introduction to the power switches

• Part 2:
  Driver design

• Part 3:

Drivers & power supply topologies

Images

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Plan du cours :

• Technology limits
  • Silicon components (MOSFET, Diode)
  • Passive devices (Inductance, Capacitance)
• EMC
  • DC/DC converter Spectral analysis
  • EMI filter design
  • Board and IC Layout : rules of thumb

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Cours de S. George, Thales Alenia Space :

• Information générales sur les satellites:
  • Les missions satellites
• Architecture des charges utiles de télécommunications:
  • Équipements
  • Technologies
• Évolutions futures : Charges utiles flexibles
  • Impact sur les équipements et technologies

BE d'application :

• Développement de l'architecture d'une charge utile satellite à partir de composants COTS (Components On The Shelf) devant répondre à des critères de : gain, figure de bruit et linéarité

• Conception d'une équipement (VGA : Voltage Gain Amplifier) en technologie MMIC à 12GHz.

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• CM 1 : Des semiconducteurs aux transitors RF – Sébastien Delcourt – THALES ALENIA SPACE

• CM 2 : des transistors aux MMIC – Sébastien Delcourt – THALES ALENIA SPACE

• CM3 : Conception MMIC – Fabrice Delahaye – THALES ALENIA SPACE

• CM4 : Etude de cas : de l’antenne au MMIC - Fabrice Delahaye – THALES ALENIA SPACE

• Apprentissage par projet : Réponse à un cahier des charge industriel (LNA, LLA ou MLA)

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• MEMS : Qu'est ce que c'est?
• Application des MEMS dans les domaines :
  • Optique
  • Mécatronique
  • Médical
  • RF
• Notions de technologie salle blanche
• Modèle mécanique du MEMS :
  • Modèle Statique
  • Modèle Dynamique
• Modélisation RF du MEMS
• Exemple de procédure de conception d'un MEMS-RF

Projet d'application : Conception d'un système RF accordable utilisant un MEMS en bande V (60GHz)

• Mise en œuvre d'un modèle électromagnétique de MEMS (HFSS)
• Extraction du modèle électrique (ADS) et mise en application d'un modèle paramétrique pour la conception de filtre passe-bande accordable de 60GHz à 40 GHz.
• Définition d'une fonction accordable à imaginer, mettre en oeuvre et valider par la simulation.

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Ce cours présente les dernières évolutions pour les systémes optoélectroniques dans le domaine des hautes fréquences avec un focus sur les applications télécos courtes distance telles que la norme 10Gb ethernet. La modélisation des composants essentiels à ces systèmes : diode laser, photodiode, modulateur électro-optique, etc. est présentée en détail. La conception de circuits dédiés à la modulation haute-fréquence des diodes laser et à l’amplification des signaux photodétectés est permet d’envisager dans une approche système la conception d’une système de communication dans le domaine GHz.

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Cet enseignement est un apprentissage par projet de conception de multiplexeurs hyperfréquences à partir de la détermination de matrices de couplage.

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1. Introduction à la photonique intégrée

• Rappel des principes de base de l’optique guidée : équations de propagation, modes guidés, dispersion.

• Notion d'indice effectif, indice de groupe

• Comparaison des principales plateformes de photonique intégrée (Silicium, SiN…).

• Comparaison fibre optique / photonique intégrée

2. Structures fondamentales et composants passifs

• Couplage optique : edge coupler, grating coupler.

• Structure passive: Guide optique simple, Guide optique courbe, Y-splitter, Multi-Mode Inteferometer, coupleur directionnel

• Interféromètres et filtres optiques : Mach-Zehnder Interferometer (MZI), anneaux résonants (microring resonator), réseaux de guides d’ondes (AWG).

3. Composants actifs et modulateurs

• Principe des modulateurs optiques : modulateurs électro-optiques, thermo-optiques et acousto-optiques.

• Détection et conversion opto-électronique.

4. Outils et techniques de simulation

• Introduction aux méthodes de simulation : méthodes EME (Eigenmode Expansion), FDTD (Finite-Difference Time-Domain).

• Prise en main des logiciels de simulation et paramétrage des structures photoniques.

5. Bureau d’étude : conception d’un réfractomètre intégré

• Spécifications du projet : détection de biomolécules via un changement d’indice de réfraction.

• Conception et optimisation de la structure à l’aide des logiciels de simulation.

• Analyse des performances et validation du dispositif.

• Rédaction d’un rapport de conception détaillé.

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1)                  Généralités sur IoT: Histoire et évolution – architecture – applications

2)                  Données dans IoT : Codage – Modulation – Intégrité des données – Sécurité des données  – choix en fonction des applications

3)                  Exemple des systèmes IoT : NFC (Fréquence/portée/application – Standards NFC – Exemple ISO/IEC14443 – Solutions proposées par NXP)

4)                  Couche physique et exemples de conception électronique : circuit de couplage inductif pour applications HF – problématique d'alimentation des tags passifs – adaptation  d'antenne – bilan des puissances

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Première partie : Vision globale du monde de la microélectronique (2h - Cours magistral)

• Introduction à la microélectronique

• • Principes de base et rôle dans l’industrie électronique.
  • Évolution historique et avancées technologiques.

• Présentation des matériaux et composants clés

• • Wafer : fabrication et rôle dans la conception des circuits.
  • Masques et boîtiers : processus de fabrication et impact sur les performances.
  • Types de circuits intégrés : analogiques, numériques, mixtes (exemples et applications).

• Présentation des structures et contraintes de base du VHDL
• Présentation du projet

Deuxième partie : Introduction et approfondissement du langage VHDL (TP – 3 sessions de 4h)

TP1 – Introduction aux structures de base (4h)

• Compréhension et modélisation de composants clés (RAM, ROM, DSP…).
• Utilisation des structures génériques (génériques, constantes, bus complexes).

TP2 – Simulation et implémentation (4h)

• Création et validation d’un Testbench.
• Simulation et debugging des circuits numériques.
• Introduction aux notions de timing (Setup/Hold) et contraintes associées.

TP3 – Synthèse et optimisation (4h)

• Processus de synthèse et routage sur FPGA/ASIC.
• Analyse des performances et stratégies d’optimisation.
• Tradeoff puissance/performance/cible : découpage, parallélisation, mutualisation des ressources.

Troisième partie : Notion de timing, métastabilité et asynchronisme ( 2h - Cours magistral; TP – 1sessions de 4h)

TP4 – Timing, métastabilité et asynchronisme (4h)

• Les contraintes de flux de données et les asynchronismes
• Les notions de violations de timing et métastabilité
• Les techniques pour gérer les asynchronismes

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1. Introduction à la CEM

• Définition et enjeux de la compatibilité électromagnétique.

• Contexte d’application aux circuits intégrés.

2. Mécanismes de couplage électromagnétique

• Couplage capacitif, inductif, rayonné et conduction.

• Impact des mécanismes de couplage sur le comportement des circuits intégrés.

3. Concepts fondamentaux et unités en CEM

• Grandeurs et unités utilisées en CEM.

• Mesures de compatibilité électromagnétique.

4. Utilisation des bandes de fréquence

• Réglementations et allocations des bandes de fréquence.

• Applications et contraintes liées aux bandes de fréquence en CEM.

5. Analyse des signaux en CEM

• Domaine temporel : théorie du signal carré et impact sur la CEM.

• Domaine fréquentiel : théorie de la mesure de puissance et implications en CEM.

6. Classification des broches et conformité des circuits intégrés

• Typologie des broches et impact sur la CEM.

• Classes de conformité et exigences spécifiques.

7. Normes et réglementations CEM pour l’automobile

• Introduction aux standards CEM appliqués aux circuits intégrés automobiles.

• Principales normes IEC et ISO.

• Spécifications de test génériques pour les circuits intégrés (Generic IC EMC Test Specification v1.2).

8. Processus de certification et tests de conformité

• Classification des tests et niveaux de conformité.

• Limites et seuils acceptables en CEM pour l’automobile.

• Prolifération des standards et leur évolution.

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L’enseignement de System-On-Chip se compose de 2 CM et d’une dizaine de séances de projet.

Les CMs décrivent de façon précise ce qu’est un System-On-Chip, quels en sont les avantages technologiques et économiques, les limites et les enjeux, et pourquoi ces circuits constituent un marché en pleine expansion. En particulier sont détaillées les notions de reuse, d’IP et de co-développement matériel/logiciel.

Les séances de projet mettent en pratique ces dernières notions, par la conception, dans l’environnement de développement Xilinx Vivado, sur carte de développement Zynq, d’un dispositif d’effet audio. Durant les première séances, les étudiants développent la configuration matérielle du Zynq et programment le microcontrôleur en langage C afin de piloter succinctement un Codec audio. Ensuite, ils développent et ajoutent, à cette configuration de base, des effets audio de leur choix, en C ou en VHDL.

L’évaluation comporte deux parties : une démonstration en séance du circuit et des effets développés, et un rapport, en anglais, sur le modèle d’une notice d’utilisation du dispositif 

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Les différentes architectures de convertisseurs analogique-numérique sont présentées  ainsi que les paramètres utilisés pour caractériser les convertisseurs.

Le schéma d'un convertisseur en technologie CMOS est conçu pour répondre à un cahier des charges données et vérifié par simulation.

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Cet enseignement est dispensé par plusieurs intervenants extérieurs sur la thématique des systèmes embarqués spatiaux. Les sujets sont divers et peuvent inclure

- l’espace durable
- les antennes pour les smallsats
- les technologies hyperfréquences embarquées sur satellites
- les effets radiatifs sur les équipements avioniques

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Le but de cet approndissement est de découvrir des techniques de conceptions CMOS utilisés pour la partie analog-front end des capteurs: bas bruit, différentiel, courant de fuite ...

Lors de cet enseignement, il faut concevoir et simuler un circuit CMOS pour interfacer un accéléromètre MEMS en mettant en place un amplificateur fully-differential avec son contrôle de mode commun intégré et son système de "Chopping".

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1- Introduction à la sûreté de fonctionnement

• Définition et importance de la sûreté de fonctionnement (Functional Safety).

• Historique et évolution des normes de sûreté.

• Approche générale de la gestion des risques et classification des pannes (systématiques vs aléatoires).

• Gestion du risque dans l'industrie automobile.

• Concepts de safety goals et safety integrity levels (ASIL).

• Introduction à la norme ISO 26262.

2 - Sensibilisation à la sûreté de fonctionnement

• Vue d’ensemble de la norme ISO 26262 et structure du standard.

• Phase conceptuelle

  • Définition des items.

  • Analyse des risques et HARA (Hazard Analysis and Risk Assessment).

  • Développement du Functional Safety Concept (FSC).

• Développement au niveau système

  • Définition du Technical Safety Concept (TSC).

  • Décomposition ASIL et décisions de conception.

  •  Méthodes d’analyse de sûreté à l’échelle du système.

  • Tests et intégration dans le cycle de développement.

3- Développement matériel et analyses de sûreté

• Cycle de vie du hardware et exigences spécifiques en sûreté.

• Élaboration du Hardware Safety Concept et des mécanismes de sûreté associés.

• Techniques d’analyse de sûreté matérielle :

  • FTA (Fault Tree Analysis) : arbre de défaillances.

  • DFA (Dependent Failure Analysis) : analyse des fautes dépendantes.

  • Calcul du taux de défaillance.

  • FMEDA (Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis) : étude des modes de défaillance et de la couverture diagnostique.

• Contraintes spécifiques aux semi-conducteurs dans l’industrie automobile.

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Au cours de cette initiation, la prise en main du logiciel professionnel de conception de circuits intégrés CADENCE se fait à l'aide d'un amplificateur opérationnel CMOS en technologie 0.35µm.

Le dessin de masques (layout) doit être réalisé en respectant les règles de dessin. Les outils de vérification DRC/LVS ainsi que les simulations post-layout prenant en compte les parasites liés aux masques sont aussi abordés.

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Composition de la matière : 2 séances de CM + 18 séances de Travaux Pratiques

Le projet consiste à découvrir, comprendre et maitriser les différentes étapes de conception d’un circuit intégré analogique complexe. Dans ce cadre, les outils de conception Virtuoso® Schematic & Layout sont utilisés pour la conception d’un régulateur linéaire incluant une référence de tension de type Bandgap (5V/2V 10mA, BW >1MHz, PSRR 50dB) dans une technologie CMOS sub-micronique. A l’issue de 2 séances de cours apportant des compléments d’information nécessaires aux notions de bases acquises en L3 et M1, un projet articulé sur N séances de TP propose de suivre les étapes de conception menant du cahier-des-charges jusqu’au dessin des masques du circuit par la mise en œuvre du design flow analogique de l’environnement Cadence® . Les principales étapes sont : une recherche bibliographique des topologies existantes, une phase de conception au niveau transistor des blocs analogiques constitutifs du circuit, une validation « pire-cas » par variation paramétrique des modèles des composants utilisés, la réalisation et le dessin des masques dans le respect des règles d’appairage.

La méthode d’apprentissage utilisée pour cette matière est l’Apprentissage Par Problème offrant aux étudiants une grande liberté de créativité lors de la conception de leurs circuits. L’accès aux documentations en ligne (bibliothèques ouvertes, articles scientifiques IEEE par exemple) donne la matière nécessaire pour explorer diverses architectures de circuits pouvant répondre aux demandes du projet.

Mode d’évaluation : remise d’un rapport d’étude complet à l’issue du projet.

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Cours de S. George, Thales Alenia Space :

• Information générales sur les satellites:
  • Les missions satellites
• Architecture des charges utiles de télécommunications:
  • Équipements
  • Technologies
• Évolutions futures : Charges utiles flexibles
  • Impact sur les équipements et technologies

BE d'application :

• Développement de l'architecture d'une charge utile satellite à partir de composants COTS (Components On The Shelf) devant répondre à des critères de : gain, figure de bruit et linéarité

• Conception d'une équipement (VGA : Voltage Gain Amplifier) en technologie MMIC à 12GHz.

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• CM 1 : Des semiconducteurs aux transitors RF – Sébastien Delcourt – THALES ALENIA SPACE

• CM 2 : des transistors aux MMIC – Sébastien Delcourt – THALES ALENIA SPACE

• CM3 : Conception MMIC – Fabrice Delahaye – THALES ALENIA SPACE

• CM4 : Etude de cas : de l’antenne au MMIC - Fabrice Delahaye – THALES ALENIA SPACE

• Apprentissage par projet : Réponse à un cahier des charge industriel (LNA, LLA ou MLA)

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• MEMS : Qu'est ce que c'est?
• Application des MEMS dans les domaines :
  • Optique
  • Mécatronique
  • Médical
  • RF
• Notions de technologie salle blanche
• Modèle mécanique du MEMS :
  • Modèle Statique
  • Modèle Dynamique
• Modélisation RF du MEMS
• Exemple de procédure de conception d'un MEMS-RF

Projet d'application : Conception d'un système RF accordable utilisant un MEMS en bande V (60GHz)

• Mise en œuvre d'un modèle électromagnétique de MEMS (HFSS)
• Extraction du modèle électrique (ADS) et mise en application d'un modèle paramétrique pour la conception de filtre passe-bande accordable de 60GHz à 40 GHz.
• Définition d'une fonction accordable à imaginer, mettre en oeuvre et valider par la simulation.

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• Causes des affaiblissement des ondes électromagnétiques

            • Modèle des écrans diffractant.

            • Propagation multi trajets en présence des surfaces planes/courbées

            • Propagation troposphérique

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Le Champ électromagnétique rétrodiffusé par une antenne quelconque sera analysé via  la  Matrice de diffusion d’une antenn, puis la  Rétrodiffusion électromagnétique d’une antenne chargée par une impédance quelconque pour aboutir à la notion de Surface Equivalente Radar d’une antenne quelconque. Le Mode de diffusion électromagnétique d’antenne et de structure sera également présenté.

Plusieurs applications seront traitées: la Furtivité et le masquage électromagnétique; le leurrage électromagnétique. Les étiquettes RFID seront abordées ainsi que les Capteurs passifs et sans fil. Des Perspectives dans le domaine de l’analyse électromagnétique de la diffraction sont présentées.

Une fois l'objet caractérisé. Le principe de fonctionnement d'un radar est présenté ainsi que les architectures électroniques permettant de caractériser des paramètres comme la distance, la vitesse ou la Surface Equivalente Radar de l'objet considéré. Le principe d'émulateur de cible radar est également évoqué.

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Dans ce projet, les étudiants seront amenés à concevoir à partir de composants disponibles autour des fréquences Wifi (2.45GHz) un radar dont l'objectif de détection est imposé. Ils seront amenés à choisir leur architecture électronique, la tester en simulation avant de mettre en oeuvre le radar et le tester en conditions réelles.

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I- Etalon de longueur en électromagnétisme

II- Analyse électromagnétique des structures multi-échelles

II-1 Limites des méthodes numériques conventionnelles pour l'analyse électromagnétique

des structures à échelles multiples

II-2 Approches itératives pour l’analyse électromagnétique de structures multi-échelles

II-3 Descripteurs électromagnétiques fondamentaux des structures multi-échelles

III- Application à la conception de dispositifs électromagnétiques

                III-1 Antennes multi-bandes

III-2 Antennes miniatures

III-3 Surfaces sélectives multi-fréquentielles

III-4 Filtres microondes sélectifs

III-5 Miroirs électromagnétiques multi-bandes

III-6 Treillis électromagnétiques

IV- Application à l’analyse de la  diffraction électromagnétique de structures naturelles  

IV-1 Rétrodiffusion de surfaces rugueuses

IV-2 Rétrodiffusion de la surface de la mer

IV-3 Rétrodiffusion d’un couvert végétal

IV-4 Rétrodiffusion de roches poreuses

VI- Perspectives technologiques dans le domaine de la conception et de la réalisation de dispositifs

multi-échelles

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Le module se compose de deux parties :

            • une séance de présentation de la problématique de modélisation multiphysique et des méthodes numériques,

            •  des séances de BE traitant l'apprentissage du logiciel de simulation multiphysique COMSOL Multiphysics, en terminant par la conception d'un applicateur hyperfréquence en cavité résonante métallique, et la simulation des performances hyperfréquences et thermiques

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I- Electromagnétisme à l’échelle nanométrique

II- Onde de probabilité

                II-1 Définition et premières élaborations

II-2 Premiers principes de la mécanique ondulatoire

II-3 Phénomènes d'interférence des ondes de probabilité et les relations d'incertitude 

II-4 Equation de Schrödinger pour une particule chargée dans un champ électromagnétique

harmonique classique

III- Particule chargée dans un champ électrostatique

III-1 Barrière de potentiel

III-2 Effet tunnel

III-3 Puits de potentiel

IV- Applications électromagnétiques

                IV-1 Microscopie électronique

                IV-2 Imagerie par résonance magnétique

                IV-3 Nanoantennes

IV-4 « Radar quantique »

V-Perspectives en nano-électromagnétisme

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I. Représentation symbolique des sources modales de champ électromagnétique 

           I-1- Générateur de Thevenin pour la modélisation d’une source modale de champ électrique

       I-2- Générateur de Norton pour la modélisation d’une source modale de densité de courant

II- Formulation et résolution des problèmes aux limites avec des sources modales de champ électromagnétique

        II-1- Schéma équivalent de dispositifs HF excités par des sources modales

     II-2- Formulation du problème aux limites à partir des lois de Kirchhoff et d’Ohm

    II-3- Résolution numérique du problème aux limites

         II-4- Extraction d’un circuit électrique équivalent de dispositifs HF

III- Applications 

      III-1- Inductance équivalente d’un trou métallisé dans une ligne microruban

     III-2- Impédance d’entrée d’une cavité en guide rectangulaire métallique et creux

    III-3- Circuit équivalent d’un saut de largeur en ligne microruban

V- Perspectives dans le domaine de la modélisation électromagnétique de structures guidantes par des circuits électriques équivalents

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Il s’agit d’une introduction à des applications industrielles de systèmes lasers.

Le cours est basé sur l’introduction de principes physiques (temps de vol, interférométrie, triangulation,...), sur leurs avantages / inconvénients respectifs et donc l’analyse critique et comparative de leurs limites.

Des exemples de dispositifs commercialisés sont présentés ainsi que de très nombreux cas d’application dans des secteurs aussi variés que l’aéronautique & l’espace, l’environnement, le biomédical, la métallurgie & la mécanique, l’automobile,…

Partie Capteurs microondes

1. Sondes électromagnétiques : analyse électromagnétiques des sondes – modèles en schéma électrique – caractéristiques des sondes E et H – analyse des sondes de références – conception des sondes

2. Instruments standard de mesure RF et hyperfréquence : Rappels théoriques d'analyse spectrale et d'analyse de dipôles et de quadripôle en terme des paramètres S – Schéma bloc des instruments standard et réseaux – principaux caractéristiques des analyseurs de spectre et des réseaux – choix des instruments en fonction des applications

3. Applications : caractérisations des sources, composants et dispositifs RF et hyperfréquence à travers l'utilisation des sondes et des analyseurs de spectre et de réseaux (exemples : générateur RF en mode CW /pré-amplificateurs /sondes magnétiques/sondes électriques/coupleurs directionnels (version guides d'ondes/version planaires)/système de couplage inductif, etc)

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Ce cours présente les dernières évolutions pour les systémes optoélectroniques dans le domaine des hautes fréquences avec un focus sur les applications télécos courtes distance telles que la norme 10Gb ethernet. La modélisation des composants essentiels à ces systèmes : diode laser, photodiode, modulateur électro-optique, etc. est présentée en détail. La conception de circuits dédiés à la modulation haute-fréquence des diodes laser et à l’amplification des signaux photodétectés est permet d’envisager dans une approche système la conception d’une système de communication dans le domaine GHz.

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1)                  Généralités sur IoT: Histoire et évolution – architecture – applications

2)                  Données dans IoT : Codage – Modulation – Intégrité des données – Sécurité des données  – choix en fonction des applications

3)                  Exemple des systèmes IoT : NFC (Fréquence/portée/application – Standards NFC – Exemple ISO/IEC14443 – Solutions proposées par NXP)

4)                  Couche physique et exemples de conception électronique : circuit de couplage inductif pour applications HF – problématique d'alimentation des tags passifs – adaptation  d'antenne – bilan des puissances

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    • Caractéristiques des guides d'ondes métalliques

     • Cavités résonantes et résonateurs électromagnétiques

     • Filtres Hyperfréquences en guides d'ondes métalliques

     • Transition en guides d'ondes/transformateur d'impédance

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I- Réseaux phasés: définition et objectifs visés

II- Facteur de réseau : hypothèses et définition

III- Réseaux d’antennes à amplitudes uniformes et à phase progressive

                III-1 Définition

III-2 Conception et descripteurs fondamentaux dans l’hypothèse des « grands réseaux »

IV- Réseaux d’antennes à amplitudes non uniformes

                IV-1 Définition

IV-2 Conception et descripteurs fondamentaux d’un réseau binomial

IV-3 Conception et descripteurs fondamentaux d’un réseau de Dolph-Tschebyscheff

V- Perspectives dans le domaine des réseaux d’antennes

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Cet enseignement présente différentes antennes utilisées dans le domaine spatial.

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Cet enseignement présente la compatibilité électromagnétique à basses et hautes fréquences, les méthodes de modélisation des problématiques de couplages et de blindages dans les systèmes électroniques.

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Cet enseignement est dispensé par plusieurs intervenants extérieurs sur la thématique des systèmes embarqués spatiaux. Les sujets sont divers et peuvent inclure

- l’espace durable
- les antennes pour les smallsats
- les technologies hyperfréquences embarquées sur satellites
- les effets radiatifs sur les équipements avioniques

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Cet enseignement traite des amplificateurs microondes présents dans les chaînes hyperfréquences (> 1 GHz) permettant de générer des puissances élevées (> 1 W). Ces circuits peuvent être utilisés dans de nombreuses applications notamment défense, radar, télécommunications, science, médical, four, GPS.

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1. qualification des aéronefs en champs forts
2. qualification des aéronefs en foudre

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Approximation variationnelle de problèmes aux limites
Etude de l’existence et l’unicité de la solution
 Notions sur la théorie spectrale des opérateurs

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Introduction aux Méthodes intégrales, en particulièr  de frontière, pour les résolutions des équations de Maxwell :

o   fonction de Green et  formulations intégrales

o   Eléments finis de frontières

o   Méthodes des moments : Différentes formulations en espace libre EFIE, MFIE, CFIE

o   Autre formulations

  BE : Développement en langage Fortran de la solution par équations intégrales de frontières du problème de la diffraction par un obstacle métallique

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Ce cours présente les différents aspects des plasmas : la définition, leurs propriétés, leurs conditions de génération ainsi que leurs principales applications.

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Pour commander ou optimiser un système il est souvent nécessaire de connaître
la valeur des variables internes de ce système. Comme celles-ci ne sont pas
directement accessibles par la mesure, on est amené à les estimer. L’estimation
consiste alors à modifier la connaissance sur la valeur des variables internes en
fonction de valeurs mesurées au niveau des sorties du système.

Le plan du cours est le suivant:

1- Estimation statique

2-Processus à temps discret 

3-Processus à temps continu 

Un BE est également proposé sur la navigation absolue, visuelle et inertielle

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Surveillance et diagnostic des défauts des systèmes électromécaniques

1. Le rôle croissant de la surveillance et du diagnostic des défauts

2. Défaillances dans les systèmes électromécaniques

3. Solutions existantes pour la surveillance et le diagnostic des défauts

4. Introduction à la fiabilité

5. Méthodes de diagnostic : classification et exemples (BE)

6. Conception d'expériences pour une étude de fiabilité (BE)

Cours magistraux et travaux sur ordinateur, basés sur un apprentissage par problèmes

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Représentations des systèmes multidimensionnels: équations différentielles couplées, matrice de transfert.

- Commandabilité et observabilité des systèmes multidimensionnels.

- Recherche d'une représentation d'état d'un système multidimensionnel à partir d'une matrice de transfert: méthode de Gilbert, méthode des invariants, décomposition en matrice de rang 1

- Conception d'une commande: placement de pôles , décomposition canonique, placement de vecteurs propres, Retour d'états, retour de sortie.

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Ce cours présente les fondements théoriques et pratiques de la commande optimale appliquée aux systèmes dynamiques. Il introduit la formulation générale d’un problème de commande : dynamique du système, contraintes sur les états et les commandes, et définition d’un critère de performance. Les méthodes classiques sont étudiées en détail, notamment le principe du maximum de Pontryagin. Le cours aborde également des approches numériques telles que les schémas de tir, les méthodes directes ou indirectes. L’accent est mis sur l’interaction entre théorie, modélisation et calcul numérique, avec des exemples issus du contrôle en électromécanique. L’objectif final est de donner aux étudiants les compétences pour développer des méthodes numériques simples de résolution de problème de commande optimale.

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Ce cours s'intéresse à la modélisation et la résolution approchée ou exacte de problèmes de décision et d’optimisation combinatoire NP-difficiles rencontrés dans différents domaines.

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Ce TER permet d’illustrer les techniques d’optimisation (vues dans le cours d’optimisation continue N9EE17F et dans le cours de programmation linéaire N9EE17E) sur un exemple concret. Le cas d’étude proposé concerne un microréseau comportant une production d’énergie photovoltaïque associée à une batterie de stockage pour l’alimentation d’une charge résidentielle (foyer familial). L’objectif est de réduire le coût d’électricité du foyer en s’appuyant sur les tarifications heures creuses / heures pleines et en exploitant le degré de liberté offert par le stockage. Le benchmark proposé permet de tester différentes stratégies de planification des flux d’énergie sur 24H, issues de l’expertise (heuristiques, commandes à base de règles) ou de techniques d’optimisation : méthodes de type gradient, méthodes géométriques, métaheuristiques stochastiques (algorithmes génétiques, essaims particulaires, recuit simulé) ou programmation linéaire à variables mixtes (après linéarisation du problème).

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La programmation linéaire constitue l'outil fondamental de modélisation et résolution des problèmes d'optimisation en recherche opérationnelle, qui ont une grande importance pratique : problèmes d’affectation, transport, réseaux, production, etc.  Ce cours se limite aux problèmes avec variables continues. Le cas des variables binaires ou entières,  très courant en pratique, est traité dans le cours ''Optimisation Combinatoire'' pour lequel ce cours est un pré-requis.

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Ce cours dresse un bref état de l’art des méthodes d’optimisation pour la résolution de problèmes non-linéaires et continus. Les différents points abordés dans les différents chapitres concernent : 

-          La formulation d’un problème d’optimisation monobjectif (sans contraintes), les conditions d’optimalité, la classification des différentes méthodes permettant de traiter un problème ;

-          Les méthodes d’optimisation monodimensionnelles : subdivisions d’intervalles, interpolation quadratique, passage par zéro de la dérivée de la fonction objectif ;

-          Les méthodes d’optimisation à base de gradient : plus grande pente, gradient accéléré ou conjugué, techniques de Gauss-Newton ou Quasi-Newton ;

-          Les méthodes d’optimisation géométriques : à directions fixées ou adaptées au cours de la recherche (Gauss-Seidel, Powell, Hooke & Jeeves), Simplex de Nelder & Mead ;

-          Les méthodes d’optimisation stochastiques : recuit simulé, algorithmes évolutionnaires et méthodes de nichage, essaims particulaires ;

-          La formulation d’un problème d’optimisation sous contraintes d’inégalités : notion de Lagrangien, conditions d’optimalité de KKT, méthodes de pénalisation ;

-          La formulation d’un problème multiobjectif : optimalité au sens de Pareto, décision a priori sur les objectifs (objectifs pondérés, méthodes de la contrainte epsilon, méthode du critère global), décision a posteriori sur les objectifs (par utilisation d’algorithmes à base de population), techniques progressives ou séquentielles (méthode lexicographique).

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La complexité croissante des systèmes impose parfois de faire appel à la simulation comme moyen d'étude lors de la phase de conception ou pour évaluer les performances de choix stratégiques avant d'agir sur le système réel. Ce BE permet aux étudiants de construire la simulation d'un système et l'analyser pour tirer des conclusions fiables et de préférence générales. Ce projet pratique vise à appliquer les concepts théoriques vus dans les cours de réseaux de Petri et ordonnancement pour optimiser la performance et la gestion des flux dans un système industriel, logistique ou de service.

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L’ordonnancement consiste à affecter des travaux à des ressources et au cours du temps pour optimiser un critère donné, tout en respectant des contraintes. Ce cours traite des enjeux et les méthodes de planification et d'ordonnancement dans les systèmes (production, logistique, informatique, ...).

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Le cours commence par exposer les raisons qui motivent l’étude des systèmes dynamiques hybrides. On peut notamment citer l’existence de systèmes physiques combinant des dynamiques continues, des commutations et/ou des impulsions, comme les convertisseurs de puissance ou les systèmes commandés en réseau. Par ailleurs, certains objectifs de commande de systèmes physiques ne peuvent pas être atteints par des commandes continues classiques.

Par la suite, des méthodes de modélisation et d’analyse de la stabilité (au sens de Lyapunov) des systèmes dynamiques hybrides sont présentées. Enfin, quelques méthodes de synthèse de commandes hybrides sont détaillées.

Une application des lois de commande hybrides à un convertisseur de puissance est réalisée par les élèves dans le cadre d’un bureau d’étude. Les performances obtenues en boucle fermée sont comparées à celles d’une commande directe classique.

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• Assurer le respect d'une sequence de production de différents objets devant passer sur des postes dédiés à différentes opérations et utiliser pour cela un circuit et une navette pour les déplacements.
• Assurer plusieurs production d'objets en même temps (Work In Progress >1).
• Par reseau de Petri, proposer une solution de gestion de plusieurs navettes pour une optimisation du cycle de production.

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Le cours détaille les motivations, en montrant les limites de la modélisation LTI pour représenter des systèmes réels. Les leviers majeurs de design de commande adaptative et predictive sont discutés et illustrés sur les méthodes de séquencement de gain, MRAC et commande predictive classique (coût quadratique et contraintes linéaires). Le cours est ponctué d'exercices qui permettent de préparer le BE, qui porte sur la commande d'un système non-linéaire MIMO (cette année un ensemble de bacs interconnectés).

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• Matrices de transformation homogène de repère 3D pour robot mobile ou manipulateur
• Modèles cinématiques et Dynamiques pour la commande
• Structures de commande classiques, dynamiques et hybrides Position-Force
• BE: mise en oeuvre des blocs de modélisation et de commande sous Matlab-Simulink

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• Format: Le thème d'étude et de recherche (TER) "Commande Avancée" est tout d'abord un TER. Dans ce cadre une problématique ouverte, à laquelle il n'y a pas de réponse unique, est posée. Afin de développer les capacités des étudiants à concevoir une démarche de façon méthodique pour répondre à cette problématique, l'enseignement se déroule en mode semi-encadré. Ceci permet d'offrir l'opportunité aux étudiants d'explorer différentes pistes en autonomie. 
• Thématique: La problématique à résoudre vise à la conception d'une loi de commande permettant de réaliser l'asservissement en position d'un système électromécanique de type translateur (système ayant pour but de déplacer des charges comme on peut le retrouver dans différents secteurs industriels). Cette conception met en œuvre une démarche globale qui, à partir d’un cahier des charges donné, commence par la modélisation du système à contrôler. A partir de ce modèle, des premiers correcteurs classiques sont alors développés en simulation, puis leur capacité à répondre au cahier des charges est quantifiée et analysée. Des correcteurs plus avancés sont alors conçus et étudiés afin d'évaluer s'ils permettent d'apporter une meilleure réponse au cahier des charges. Parmi les différents correcteurs analysés, un choix est à faire quant à celui qui sera ensuite discrétisé pour une implémentation temps-réel sur le dispositif réel. La validation expérimentale sur le translateur est l'étape finale qui permet de faire des derniers ajustements des correcteurs vis à vis des performances requises à atteindre.

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Une première partie du cours est dévolue à la présentation de concepts généraux de commande issus de l'automatique linéaire, non-linéaire, et échantillonnée ainsi que quelques grands principes pour la conversion de l'énergie (Contrôle vectoriel des machines électriques et MLI vectorielle pour les onduleurs triphasés). Ensuite les étudiants répartis en groupe (binôme ou trinôme) choisissent un sujet parmi une liste et le traite en simulation via MATLAB-SIMULINK. Le déroulement comporte une phase de modélisation et de simulation de l'objet à piloter puis une phase de conception de la loi de commande répondant au cahier des charges. Afin les étudiants doivent tester et évaluer les performances obtenues. A l'issue des séances, chaque groupe rédige un compte-rendu témoignant des démarches opérées et des résultats obtenus.
Liste des sujets proposés :

·         Redresseur MLI Triphasé, Commande sur les axes abc + Régulateur de tension et PLL

·         Filtre actif Monophasé avec boucle à MLI, Régulateur RST pour les courants et approche globale pour les références harmoniques.

·         Filtre actif Triphasé avec boucle MLI, Régulateur RST pour les courants et approche globale pour les références harmoniques

·         Redresseur Monophasé avec boucle MLI, Régulateur RST pour les courants et la tension + PLL

·         Machine synchrone à aimants à pôles lisses, Contrôle vectoriel et Contrôle en cascade pour la vitesse et la position.

·         Machine synchrone à aimants à pôles lisses, Contrôle scalaire et retour d’état pour la vitesse et la position.

·         Machine asynchrone triphasé, Contrôle vectoriel direct et Contrôle la vitesse et observateur de flux.

·         Machine asynchrone triphasé, Contrôle vectoriel indirect et Contrôle cascade vitesse et position.

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Introduction aux concepts de base de la sécurité des systèmes d’information (classification des attaques, cryptographie, évaluation)

Illustration par des exemples (DES/AES, RSA, Diffie-Hellmann, signatures électroniques)

Authentification et protocoles d’authentification sans apport de connaissance (Needham-Schroeder, Fiat-Shamir). Exemples : Kerberos, carte à puce.

Protection dans les systèmes informatiques (politique de sécurité discrétionnaire et obligatoire) et exemples

Notions de tolérance aux intrusions (schémas à seuil de Shamir, etc.).

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Généralités, définitions et notions de base (attributs, entraves), moyens de la sûreté de fonctionnement (prévention, tolérance, élimination, prévision) et mesures

Techniques de tolérance aux fautes (hypothèses de fautes, techniques de base, stratégies de réplication) et solutions architecturales

Techniques de validation, en particulier par injection de fautes (principes, analyse de robustesse, exemples d'outils et de résultats expérimentaux)

Exemples de systèmes industriels (e.g . Airbus A320, Boeing B777), synthèse et conclusion

TER « Système critique » associé à ce cours

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1.1 Conception par optimisation

- Introduction à l'optimisation : Contexte et importance de l'optimisation / Formulation d'un problème d'optimisation / Classification des méthodes d'optimisation

- Méthodes d'optimisation unidimensionnelles : Méthodes d'intervalles (dichotomie, Fibonacci, nombre d'or) / Méthodes d'interpolation / Recherche du passage par zéro de la dérivée

- Méthodes d'optimisation multidimensionnelles : Méthodes analytiques : gradient, gradient accéléré, gradient conjugué, Gauss-Newton, Quasi-Newton (BFGS, DFP) / Heuristiques géométriques : Méthodes de Gauss-Seidel, Powell, Hooke & Jeeves, Nelder & Mead / Méthodes stochastiques : Random Walk, recuit simulé, algorithmes évolutionnaires, méthodes de nichage, essaims particulaires

- Optimisation sous contraintes : Formalisation du Lagrangien / Condition d'optimalité de KKT / Méthodes de pénalisation

- Optimisation multi objectif : Optimalité au sens de Pareto / Classification des méthodes d'optimisation multi-objectifs / Méthodes de pondération, objectif idéal, objectifs bornés, lexicographique, logique floue

- Applications en Génie Electrique : Optimisation d'un connecteur HT / Identification de paramètres / Dimensionnement optimal d'une locomotive hybride / Optimisation d'une chaîne éolienne passive

1.2 Conception système

- Sensibilisation à l'approche système : contexte, enjeux et caractéristiques de la conception système.

- Approche méthodologique : le Bond Graph Causal, Champ applicatif : modélisation en Génie Electrique pour l’analyse systémique. 

- Exemples de modèles pour les convertisseurs statiques, les machines électriques, les composants de stockage, leurs associations

1.3 conception système « BE EHA »

- Modélisation de l’EHA à l’aide de l’outil Bond Graph

- Etude de la causalité du système

- Détermination de la fonction du transfert à l’aide du schéma Bond Graph établit

- Dimensionnement d’un système hybride à base de pile à combustible et de super condensateurs pour l’alimentation de l’EHA

- Gestion énergétique du système hybride : approche fréquentielle

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1.1.1.    Conditionnement rés. Énergie 

·       Rappels sur les réseaux électriques : réglage de tension et de puissance réactive.

·       Fonctionnalités de l'onduleur de tension raccordé à un réseau : contrôle et dimensionnement

·       Compensateurs de puissance réactive à base d'onduleurs de tension

·       Qualité de l'énergie électrique - Filtrage actif.

1.1.2.    Conditionnement rés. Énergie 

Projet d'application du CM "convertisseurs pour conditionnement des réseaux d’énergie

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Cet enseignement présente les topologies de conversion utilisées pour le transport d'énergie électrique en courant continu haute tension : redresseurs à thyristors, onduleurs de tension, convertisseurs modulaires multiniveaux. Un bureau d'étude portant sur le dimensionnement d'une liaison HVDC illustre les cours.

Projet d'application du CM "convertisseurs pour réseaux HVDC"

Demie-journée thématique: Semiconducteurs de forte puissance : présentation, sous forme d'une conférence (demie journée) assurée par un intervenant industriel (ABB) des technologies de semiconducteurs adaptés aux convertisseurs de forte puissance.

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Conception des convertisseurs statiques, principalement orientée vers l’étude des topologies et la construction de circuits permettant de répondre à un cahier des charges

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Généralités sur la modélisation des convertisseurs

- Problématique - contraintes dynamiques et contraintes de forme Liens entre la structure du convertisseur et la structure de commande - L'approche MLI pour la commande

- synthèse des régulateurs et linéarisation

- Caractérisation des lois de commande en terme de robustesse Prélèvement de l'énergie - filtrage actif - traitement des harmoniques / Exemples d'application: onduleur et redresseur MLI, convertisseur multicellulaire...

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• Appliquer les enseignements des cours "conception des CVS" et "commande des CVS".
• Savoir analyser le fonctionnement d'une Alimentation Sans Interruption industrielle (ASI).
• Apprendre à dimensionner les composants et les boucles de contrôle à partir d'un cahier des charges donné
• Valider les résultats par simulation.

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·         Technologies et modélisation des composants magnétiques en électronique de puissance

·         Technologies et modélisation des composants capacitifs en électronique de puissance

·         Etudes de cas

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Nature des contraintes (environnementales, fonctionnelles de commutation, contraintes d'usage), - Règles de conception, rappels de la SOA, régimes extrêmes des composants semi-conducteurs, robustesse, solutions de protections, - Régimes critiques de défaillance, I²T et énergie de destruction - explosion, solutions de protection, Vieillissement des composants et aspects technologiques, principaux modèles, conception du diagnostic par modèles prédictifs ou capteurs, Approche méthodologique : taux de défaillance, modèle de fiabilité, diagramme de fiabilité, ordres de grandeurs et applications numériques,Application aux structures de conversion sans redondance et avec redondance,Illustration de structures sécurisées à redondance passive parallèle mutualisée et à redondance active série intégrée

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·         Présentation du contexte de la CEM ;

·         Définition du concept d'émission conduite et illustration expérimentale ;

·         Présentation des techniques de mesure standards de l'émission conduite (ex : EN55022, CISPR25) ;

·         Identification des sources et des modes de propagation du bruit conduit produit par un convertisseur de puissance (application à des structures d'alimentation à découpage typique tel que des convertisseurs buck, flyback) ;

·         Présentation d'un modèle électrique simplifié pour la simulation de l'émission conduite d'un convertisseur de puissance ;

·         Description des principales structures de filtre CEM (en mode commun et différentiel), des composants typiques de filtrage et leur dimensionnement ;

·         Présentation et illustration de plusieurs règles de conception faible émission des alimentations à découpage.

Projet d'application du CM "Compatibilité Electromagnétique" (CEM) : Filtrage de l’émission conduite, produite par un convertisseur AC-DC Flyback. L’objectif de ce bureau d’étude est de dimensionner le filtre CEM en entrée d’une alimentation à découpage de type Flyback, afin de le rendre le produit compatible avec le standard EN55022. L’étude s’appuiera sur la simulation (logiciels IC-EMC et WinSPICE/LTSPICE), ainsi que sur des librairies de composants passifs. Les résultats de simulation de l'atténuation du filtre seront comparés à des résultats de mesures expérimentales.

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Convertisseurs X-Niveaux

·         Problème de répartition des contraintes dans les associations série/parallèle de semiconducteurs.

·         Evaluation de différentes solutions.

·         Convertisseurs multiniveaux (FC, NPC, SMC, …).

·         Propriétés spectrales.

·         Applications industrielles.

MLI, Commande vectorielle

·         Convertisseurs à Modulation de Largeur d'Impulsions, analyse des caractéristiques en monophasé, détermination d'une commande vectorielle triphasée par démarche systématique :

·         Commande vectorielle des convertisseurs de tension triphasés (SVM).

·         Contrôle Vectorielle Multiniveaux – Optimisation du Modulateur - Utilisation des Machines d’Etat

Projet d'application des CM "convertisseurs multiniveaux" et "Commande vectorielle". Etude de cas, dimensionnement et validation par simulation numérique (PLECS).

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Etude par simulation, à l'aide du logiciel SABER, d'une machine asynchrone ou synchrone alimentée à l'aide d'un onduleur de tension. Le fonctionnement de la machine (flux, couple, vitesse) est réglé à l'aide d'une stratégie de contrôle vectoriel à orientation du flux. L'onduleur de tension, qui est dans un premier temps idéalisé est ensuite représenté finement, avec différentes solutions pour la génération des commandes. Etude de différentes modulations de l'onduleur MLI.

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Représentations des systèmes multidimensionnels: équations différentielles couplées, matrice de transfert.

- Commandabilité et observabilité des systèmes multidimensionnels.

- Recherche d'une représentation d'état d'un système multidimensionnel à partir d'une matrice de transfert: méthode de Gilbert, méthode des invariants, décomposition en matrice de rang 1

- Conception d'une commande: placement de pôles , décomposition canonique, placement de vecteurs propres, Retour d'états, retour de sortie.

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·      Conception des Réseaux Embarqués Sécurité et fiabilité

·         Intérêt de l’hybridation dans le fonctionnement d’un réseau embarqué

·         Sécurité et fiabilité des réseaux

·         CEM dans les réseaux électriques

            Syst. Énergétiques autonomes - hybridation

En plus des théories relatives à l'hybridation et à la gestion d'énergie des systèmes multi-sources, le cours est basé sur plusieurs exemples de systèmes énergétiques hybrides issus du retour d'expérience du laboratoire Laplace dans ce domaine de recherche. Ces exemples concernent en particulier le domaine de transport (l'aéronautique, le ferroviaire et le routier).

            BE « PAC »

·         Mise en œuvre expérimental d’une pile à combustible de technologie PEM (Membrane Echangeuse de Proton)

·         Traçage de la courbe de la polarisation ;

·         Emulation de convertisseurs statiques à l’aide d’une charge active ;

·         Simulation du comportement dynamique de la pile à combustible.

             Systèmes mult-Energies

Ce cours est conçu pour fournir aux étudiants une compréhension approfondie de l’intégration et de la gestion des différentes formes d’énergie, notamment l’énergie électrique, la chaleur, le refroidissement et l’hydrogène. Il couvre les principes fondamentaux, les technologies actuelles et les applications pratiques de chacune des combinaisons possibles ainsi que les éléments de liaison entre les différents types d’énergie.

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A la fin du cours, l'étudiant connaît également les modèles statiques et dynamiques de certains composants électrochimiques : pile à combustible et batterie.

·         Comprendre le principe de fonctionnement des sources d'énergie et des éléments de stockage ;

·         Être capable d'utiliser le modèle adéquat d'une source ou d'un élément de stockage en fonction du problème étudié ;

·         Être capable d'identifier et de comparer les différentes architectures de conversion de l'énergie éolienne.

Concernant les énergies renouvelables, l'étudiant découvre à travers ce cours les différentes configurations de conversion de l'énergie éolienne. La conversion photovoltaïque n'est pas traitée dans ce cours (vue en 2ème année).

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Les notions de services systèmes (contribution aux réserves de fréquence, ajustement/ effacement,...) seront présentées de même que les nouveaux degrés de libertés (stockage, mobilité électrique massive, prédictions de production et consommation, meilleure information (compteur communicant) pour un ajustement de la consommation,...) permettant une "gestion intelligente des réseaux électriques". Le cout pour l’usager de ces nouveaux concepts étant essentiel, un aperçu des mécanismes de marché et des éléments de modèles économiques (investissement, opération) permettront à l'étudiant de faire un lien entre performance énergétique et impact économique. Enfin, quelques exemples de smart grids dans les réseaux insulaires ainsi que pour l’autoconsommation d’un éco quartier permettra de mettre ces concepts en évidence en pratique

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Présentation, sous forme d'une conférence (demie journée) assurée par des chercheurs du laboratoire LAPLACE (équipe Lumière et Matière) des enjeux des technologies récentes de l'éclairage et de leur impact en terme d'énergie électrique / présentation des solutions d'alimentation de puissance (convertisseurs statiques) permettant les meilleures performances du dispositif d'éclairage

Présentation, sous forme d'une conférence (demie journée) assurée par des ingénieurs de la SNCF des problématiques de la traction ferroviaire et des solutions en termes de conversion de l'énergie électrique qui permettent d'y répondre.

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Le cours "Modélisation numérique par les éléments finis" permettra d'aborder les différents éléments suivants :

• la modélisation / mise en équations du problème : choix de la bonne EDP, de la bonne variable, des bonnes conditions aux limites suivant le dispositif à l'étude;
• l'utilisation des éléments finis nodaux pour la discrétisation des potentiels scalaires notamment;
• l'utilisation des éléments finis vectoriels pour la discrétisation des potentiels vecteurs ou des champs E, H, B, D par exemple;
• l'utilisation de formulations couplés à plusieurs champs (utiles quand on a des matériaux différents / ou que l’on veut coupler des phénomènes physiques);
•    des notions compléments complémentaires concernant notamment le traitement des matériaux non-linéaires, le calcul de grandeurs de type forces, les conditions aux limites équivalentes (pour éviter de mailler certains matériaux ou de grands volumes d'air).

Des séances de Bureau d'études permettront de mettre en œuvre ces notions sur un outil « libre » de calcul par éléments finis.

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Ce cours introduit les techniques d’optimisation globale basées sur des approches stochastiques et métaheuristiques, aujourd’hui largement utilisées dans la conception avancée des machines électriques et des actionneurs. Après une présentation des problématiques de dimensionnement (modèles électromagnétiques, contraintes géométriques et thermiques, fonctions objectif multicritères), le cours détaille les grandes familles de métaheuristiques : recuit simulé, recherche tabou, VNS, algorithmes génétiques et stratégies multistart. Les principes, réglages des paramètres, mécanismes d’exploration/exploitation et critères d’arrêt sont explicités à travers de nombreux exemples. Une part importante du cours est consacrée à l’intégration de ces méthodes avec des modèles physiques ou numériques (FEM, modèles analytiques, surrogate modeling, approches multi-fidélité), ainsi qu’aux stratégies pour réduire les coûts de calcul dans des problèmes de conception industriels. Des études de cas complètes sur des moteurs synchrones avec aimants, permettent de relier les aspects théoriques à des applications concrètes. L’objectif final est de donner aux étudiants une maîtrise opérationnelle des métaheuristiques pour résoudre des problèmes de conception réalistes, fortement non convexes, et pouvant être bruités ou multimodaux.

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Les étudiants apprendront à créer des modèles numériques détaillés de machines telles que les moteurs, générateurs et transformateurs en utilisant les outils de simulation électromagnétiques du logiciel. L’accent sera mis sur l’analyse des champs magnétiques, des pertes par courant de Foucault et de l’interaction entre les composants mécaniques et électriques au sein de la machine. Les étudiants acquerront également des compétences pour optimiser la conception des machines en fonction des résultats de simulation, en améliorant leur efficacité, leur rendement et leur fiabilité. Enfin, des travaux pratiques et des études de cas leur permettront d'appliquer ces techniques à des projets industriels réels, renforçant ainsi leur maîtrise des outils de simulation numérique dans le domaine des machines électriques.

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Les étudiants apprendront à analyser les contraintes mécaniques et thermiques, ainsi qu’à sélectionner les matériaux et les géométries appropriées pour garantir la performance, la fiabilité et la durabilité des dispositifs. L’accent sera mis sur la modélisation des forces, des couples et des vibrations dans les actionneurs, ainsi que sur les techniques de dimensionnement des rotors, stators et autres composants mécaniques. Les étudiants exploreront également l’intégration des aspects électriques et mécaniques dans la conception pour maximiser l’efficacité des machines. Enfin, à travers des études de cas et des projets pratiques, ils appliqueront ces connaissances à des problématiques réelles d’industrie, renforçant ainsi leur capacité à concevoir des systèmes d’actionnement et de génération adaptés à des applications variées.

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Les étudiants apprendront à concevoir des modèles 3D de pièces et d’assemblages complexes, en maîtrisant les outils de modélisation paramétrique et la création de dessins techniques associés. L’accent sera mis sur l’utilisation des fonctionnalités du logiciel pour réaliser des simulations de contraintes, de mouvements et d’interférences, afin de garantir la viabilité des conceptions. Les étudiants découvriront également les processus de gestion des versions de modèles, d’analyse de tolérances et de préparation à la fabrication. Enfin, à travers des projets pratiques, ils auront l’opportunité d’appliquer ces compétences à des projets industriels réels, développant ainsi leur capacité à utiliser un logiciel de CAO de manière professionnelle et efficace.

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Les étudiants apprendront à dimensionner et intégrer les composants nécessaires, tels que les alternateurs, les circuits de redressement et les systèmes de stockage d’énergie, afin de produire une alimentation électrique à partir du mouvement mécanique du vélo. L’accent sera mis sur l’optimisation de l'efficacité énergétique du générateur, la gestion de l’énergie produite et l’adaptation des systèmes de contrôle pour garantir un rendement maximal. Les étudiants aborderont également les aspects mécaniques et ergonomiques liés à l’adaptation du vélo d’appartement, tout en prenant en compte les contraintes pratiques telles que la durabilité et la sécurité. Enfin, à travers des phases de prototypage et de tests, ils appliqueront leurs compétences techniques pour créer un générateur fonctionnel et adapté à des applications pratiques telles que la recharge d’appareils électroniques.

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A partir d'un socle commun, mettant en évidence les procédures élémentaires de modélisation des machines électriques, le cours s'ouvre en 2 branches d'égales importantes dévolues respectivement aux machines synchrones et aux machines asynchrones – machines à induction:

Machines synchrones:

• Représentation des machines électriques synchrones- Modèle
  • Mise en équation, hypothèses
  • Représentation triphasée et diphasée
  • Machine non-sinusoïdale
  • Ondulation de couple (origines)
• Commande classique de la machine synchrone
  • Commande scalaire
  • Commande classique
• Commande avancée de la machine synchrone
  • Amélioration de la qualité du couple produit
  • Défluxage des machines à aimant
  • Commande sans capteur mécanique

Machines asynchrones (MAS) – machines à induction (MI) :

• Machine asynchrone à induction (MAS), modèles directs et inverses     

o    Modes d’alimentation d’une machine asynchrone triphasée à cage – cahiers des charges

o     Modélisation de la MAS triphasé, définition des paramètres, hypothèses          simplificatrices

o    Transformations triphasée – diphasées, conservation de puissance vs conservation d’amplitude

• Estimateurs, Observateurs – capteurs indirectes d’une MAS à cage

o     Estimation / Observation déterministes du Flux

o     Observations stochastiques – Filtre de Kalman du Flux 

o     Observations de la vitesse de rotation, méthodes partiels et globales

• Commandes indirectes et directes d’une MAS à cage

o     Commandes linéaires scalaires et vectorielles

o     Commandes non linéaires à mode glissant et linéarisation exacte

• Commande d’une Machine Asynchrone Doublement Alimentée (MADA)

o      Double commande vectorielle – propulsion navale

   Commande par le rotor – turbinage / pompage                                                                                  

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• Format: Le thème d'étude et de recherche (TER) "Commande des Actionneurs Electriques" est tout d'abord un TER. Dans ce cadre une problématique ouverte, à laquelle il n'y a pas de réponse unique, est posée. Afin de développer les capacités des étudiants à concevoir une démarche de façon méthodique pour répondre à cette problématique, l'enseignement se déroule en mode semi-encadré. Ceci permet d'offrir l'opportunité aux étudiants d'explorer différentes pistes en autonomie. 
• Thématique: La problématique à résoudre vise à la conception d'une architecture de commande en simulation d'un actionneur électrique (machine triphasée, synchrone ou asynchrone). Cette conception met en œuvre une démarche globale de complexité progressive visant à concevoir chaque boucle de commande l'une après l'autre de façon imbriquées. Pour chaque boucle, à partir d’un cahier des charges donné, la première étape consiste en la modélisation du comportement du système qu'il est souhaité de contrôler avant de laisser place à la conception du contrôleur associé en se basant sur le principe du "modèle inverse". Le modèle électrique du système convertisseur-machine en régime permanent permet l'analyse des limites de fonctionnement dans le plan couple-vitesse et aide à l'élaboration de stratégies de commande en couple qui constitue la dernière étape de l'architecture de commande. Les performances de fonctionnement obtenues pour le système dans son ensemble sont alors quantifiées et analysée en fonction des différents choix de conception des boucle de commande et de la stratégie de commande en couple choisie.

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Représentations des systèmes multidimensionnels: équations différentielles couplées, matrice de transfert.

- Commandabilité et observabilité des systèmes multidimensionnels.

- Recherche d'une représentation d'état d'un système multidimensionnel à partir d'une matrice de transfert: méthode de Gilbert, méthode des invariants, décomposition en matrice de rang 1

- Conception d'une commande: placement de pôles , décomposition canonique, placement de vecteurs propres, Retour d'états, retour de sortie.

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• Format: Le thème d'étude et de recherche (TER) "Commande Avancée" est tout d'abord un TER. Dans ce cadre une problématique ouverte, à laquelle il n'y a pas de réponse unique, est posée. Afin de développer les capacités des étudiants à concevoir une démarche de façon méthodique pour répondre à cette problématique, l'enseignement se déroule en mode semi-encadré. Ceci permet d'offrir l'opportunité aux étudiants d'explorer différentes pistes en autonomie. 
• Thématique: La problématique à résoudre vise à la conception d'une loi de commande permettant de réaliser l'asservissement en position d'un système électromécanique de type translateur (système ayant pour but de déplacer des charges comme on peut le retrouver dans différents secteurs industriels). Cette conception met en œuvre une démarche globale qui, à partir d’un cahier des charges donné, commence par la modélisation du système à contrôler. A partir de ce modèle, des premiers correcteurs classiques sont alors développés en simulation, puis leur capacité à répondre au cahier des charges est quantifiée et analysée. Des correcteurs plus avancés sont alors conçus et étudiés afin d'évaluer s'ils permettent d'apporter une meilleure réponse au cahier des charges. Parmi les différents correcteurs analysés, un choix est à faire quant à celui qui sera ensuite discrétisé pour une implémentation temps-réel sur le dispositif réel. La validation expérimentale sur le translateur est l'étape finale qui permet de faire des derniers ajustements des correcteurs vis à vis des performances requises à atteindre.

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Les structures spatiales mécatroniques nécessitent des solutions particulières en termes d'efficacité, de robustesse et de précision pour les équipements qui doivent fonctionner pendant plusieurs décennies sans entretien. Dans ce contexte, la technologie piézoélectrique associée à des propriétés matérielles particulières peut apporter des solutions multidomaines pour l'actionnement, l'isolation mécanique ou la récupération d'énergie. Les métamatériaux élastiques offrent de nouvelles possibilités en termes de réponse mécanique dynamique. Les métamatériaux sont une nouvelle classe de matériaux qui présentent des propriétés extraordinaires. Dans le contexte de la dynamique, ils peuvent afficher une masse et/ou une rigidité effective négative, élargissant ainsi l'espace de conception classique des matériaux d'ingénierie. Ils peuvent donc être très intéressants pour la conception de dispositifs polyvalents haute performance.

Dans ce cours, les étudiants découvriront les applications des métamatériaux élastiques pour divers dispositifs mécatroniques spatiaux, en particulier les collecteurs d'énergie, les actionneurs, les capteurs et les transformateurs électromécaniques, et apprendront comment les métamatériaux peuvent être conçus et utilisés pour améliorer considérablement les propriétés dynamiques de ces systèmes. Les étudiants auront l'occasion de concevoir un dispositif, depuis les principes théoriques jusqu'aux simulations, en passant par le prototypage et les tests électromécaniques physiques.

Le cours comprend 8 séances au cours desquelles nous présentons les connaissances théoriques et pratiques nécessaires, suivies de 4 séances consacrées à un projet étudiant axé sur la conception, l'assemblage et le test d'un dispositif prototype. Enfin, les étudiants participent à un projet de niveau industriel soutenu et supervisé par des experts de haut niveau du secteur spatial.

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Ce cours s’inscrit dans le parcours de troisième année EMA Electromécanique et Mécatronique Avancée et plus particulièrement dans l’UE Mécatronique avancée.

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Surveillance et diagnostic des défauts des systèmes électromécaniques

1. Le rôle croissant de la surveillance et du diagnostic des défauts

2. Défaillances dans les systèmes électromécaniques

3. Solutions existantes pour la surveillance et le diagnostic des défauts

4. Introduction à la fiabilité

5. Méthodes de diagnostic : classification et exemples (BE)

6. Conception d'expériences pour une étude de fiabilité (BE)

Cours magistraux et travaux sur ordinateur, basés sur un apprentissage par problèmes

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Le cours "Modélisation numérique par les éléments finis" permettra d'aborder les différents éléments suivants :

• la modélisation / mise en équations du problème : choix de la bonne EDP, de la bonne variable, des bonnes conditions aux limites suivant le dispositif à l'étude;
• l'utilisation des éléments finis nodaux pour la discrétisation des potentiels scalaires notamment;
• l'utilisation des éléments finis vectoriels pour la discrétisation des potentiels vecteurs ou des champs E, H, B, D par exemple;
• l'utilisation de formulations couplés à plusieurs champs (utiles quand on a des matériaux différents / ou que l’on veut coupler des phénomènes physiques);
•    des notions compléments complémentaires concernant notamment le traitement des matériaux non-linéaires, le calcul de grandeurs de type forces, les conditions aux limites équivalentes (pour éviter de mailler certains matériaux ou de grands volumes d'air).

Des séances de Bureau d'études permettront de mettre en œuvre ces notions sur un outil « libre » de calcul par éléments finis.

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Ce module introduit la démarche de l’optimisation topologique et les motivations liées au design optimal de structures ou de dispositifs électromagnétiques. Les étudiants découvrent les principales formulations du problème. Le cours met en évidence les difficultés associées aux méthodes exhaustives ou aux métaheuristiques appliquées directement sur la résolution de problèmes d’optimisation topologique, et explique pourquoi les approches par densité constituent une alternative beaucoup plus efficace. L’utilisation de la méthode de l’adjoint pour calculer le gradient est présentée de façon détaillé sur un exemple complet appliqué à la conception d’un circuit magnétique 2D (équations de la magnétostatique). Les travaux pratiques permettent ensuite de mettre en œuvre un cas simple de conception topologique, notamment l’optimisation de pièces polaires pour un circuit 2D en forme de U, afin de relier les aspects théoriques à une application inspirée d’un propulseur magnétique.

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Introduction aux Méthodes intégrales, en particulièr  de frontière, pour les résolutions des équations de Maxwell :

o   fonction de Green et  formulations intégrales

o   Eléments finis de frontières

o   Méthodes des moments : Différentes formulations en espace libre EFIE, MFIE, CFIE

o   Autre formulations

  BE : Développement en langage Fortran de la solution par équations intégrales de frontières du problème de la diffraction par un obstacle métallique

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Le Champ électromagnétique rétrodiffusé par une antenne quelconque sera analysé via  la  Matrice de diffusion d’une antenn, puis la  Rétrodiffusion électromagnétique d’une antenne chargée par une impédance quelconque pour aboutir à la notion de Surface Equivalente Radar d’une antenne quelconque. Le Mode de diffusion électromagnétique d’antenne et de structure sera également présenté.

Plusieurs applications seront traitées: la Furtivité et le masquage électromagnétique; le leurrage électromagnétique. Les étiquettes RFID seront abordées ainsi que les Capteurs passifs et sans fil. Des Perspectives dans le domaine de l’analyse électromagnétique de la diffraction sont présentées.

Une fois l'objet caractérisé. Le principe de fonctionnement d'un radar est présenté ainsi que les architectures électroniques permettant de caractériser des paramètres comme la distance, la vitesse ou la Surface Equivalente Radar de l'objet considéré. Le principe d'émulateur de cible radar est également évoqué.

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Introduction aux Méthodes intégrales, en particulièr  de frontière, pour les résolutions des équations de Maxwell :

o   fonction de Green et  formulations intégrales

o   Eléments finis de frontières

o   Méthodes des moments : Différentes formulations en espace libre EFIE, MFIE, CFIE

o   Autre formulations

  BE : Développement en langage Fortran de la solution par équations intégrales de frontières du problème de la diffraction par un obstacle métallique

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Le module se compose de deux parties :

            • une séance de présentation de la problématique de modélisation multiphysique et des méthodes numériques,

            •  des séances de BE traitant l'apprentissage du logiciel de simulation multiphysique COMSOL Multiphysics, en terminant par la conception d'un applicateur hyperfréquence en cavité résonante métallique, et la simulation des performances hyperfréquences et thermiques

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Approximation variationnelle de problèmes aux limites
Etude de l’existence et l’unicité de la solution
 Notions sur la théorie spectrale des opérateurs

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Cet enseignement présente la compatibilité électromagnétique à basses et hautes fréquences, les méthodes de modélisation des problématiques de couplages et de blindages dans les systèmes électroniques.

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·         Méthodes itératives de résolution de système linéaire :  

o   Richardson

o   Espaces de  krylov :  gradient conjugué, GMRES

·         Méthodes de bas rang pour les matrices pleines

o   méthodes multipôles, Adaptive Cross Approximation

o    matrices hiérarchiques

·         Tenseurs

o   Définitions et notions de bases

o   Format de stockage : CP, Tucker, Tensor-Train

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Ce cours présente les différents aspects des plasmas : la définition, leurs propriétés, leurs conditions de génération ainsi que leurs principales applications.

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-    Cours MAILLAGE
  Introduction / Exemples
  Méthodes numériques et maillages
  Algorithmes de maillage triangulaire et tétraédrique
  Algorithmes de maillage quadrangulaire et hexaédrique
  Méthodes hybrides
  Maillages surfaciques
  Maillages polyédriques
  Bonnes pratiques de maillage / Critères de qualité
  Conclusion générale sur les maillages
  Mailleurs disponibles à l’ENSEEIHT
  Principes de construction des géométries

Cours VISU et POST-TRAITEMENT
  Introduction
  Contraintes techniques (images et vidéos)
  Création d’une vidéo de qualité
  Une visualisation de qualité : pièges à éviter, mise ne forme à respecter, contenu, valorisation des résultats

-      Logiciels de visualisation commerciaux / gratuits
  Outils de visualisation et de post-traitement disponibles à l’ENSEEIHT

-    TRAVAUX DIRIGES
- 4h en commun sur un sujet avec le mailleur Salome pour valider les notions de base
- Mini-projets : En binôme les étudiants réalisent des mini-projets dans lesquels ils choisissent le sujet d’étude à mailler (statoréacteur, flèche, arc de triomphe, module de rentrée atmosphérique, sous-marin, dirigeable, coquillage, ornithorynque, …), le mailleur (Salome, Gmsh, Ansys tools, StarCCM+, simail, comsol, …) qu’ils veulent utiliser ainsi que le solveur (Code_Saturne, Ansys, StarCCM+, …). L’évaluation est une soutenance orale qui porte sur ces mini-projets. Les maillages générés doivent avoir tourné sur le solveur de leur choix …

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Le cours consiste à introduire l’approche de modélisation par l’outil Bond Graph. Il s’agit d’une approche multi-physique permettant de modéliser, sous le même langage, différents phénomènes physiques et de prendre en compte les divers couplages entre les composants d’un système. Cette approche est appliquée dans ce cours à différents exemples de systèmes multi-flux et multi-physiques.

Le cours est complété par un bureau d’étude qui consiste à modéliser un actionneur électro-hydrostatique (EHA) d’un avion A320 par l’approche Bond Graph et à remplacer la source d’alimentation de cet EHA par une pile à combustible hybridée par des super condensateurs.

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1.Conception et Analyse de Procédés et Systèmes Énergétiques Intégrant des Critères de Développement Durable

 Formulation du problème : Identifier les enjeux et les objectifs de conception des systèmes énergétiques en tenant compte des critères de développement durable.

• Métriques de Développement Durable : Comprendre les indicateurs clés pour évaluer la durabilité des systèmes énergétiques, en intégrant des dimensions économiques, environnementales et sociales
• Formulation de critères économiques pertinents pour les systèmes énergétiques (concept de LCOE) : Savoir appliquer des critères économiques, tels que le LCOE (Levelized Cost of Energy)

2. Introduction à l’écococonception l’ACV

Principes fondamentaux et cadre normatif (ISO 14040/44)

Intérêt de l’ACV pour les systèmes énergétiques

3. Méthodologie et Étapes de l’ACV

Définition des objectifs et du champ de l’étude

Définition des objectifs et du périmètre

Fonction du produit ou du système

Unité fonctionnelle et flux de référence

Arbre des processus et exemples d’application

Inventaire des émissions et des extractions

Méthode de réalisation d’un inventaire

Bases de données d’inventaire (ex. : EcoInvent)

Analyse des impacts environnementaux

Méthodes de caractérisation des impacts

Catégories d’impacts et indicateurs clés

Interprétation et analyse critique des résultats

Influence des choix de modélisation sur les résultats

Identification des limites et des incertitudes

Comparaison de scénarios et recommandations

Identification des principaux enjeux environnementaux liés aux technologies énergétiques actuelles et émergentes

Analyse des bénéfices environnementaux liés à l’intégration des systèmes énergétiques sur l’ensemble de la chaîne de valeur

Programme et contenu du Bureau d’étude :

1.       Mise en œuvre d’une analyse de cycle de vie appliquée à un système énergétique (ex. : panneaux photovoltaïques, éoliennes)

2.       Utilisation du logiciel SimaPro pour la modélisation et l’évaluation des impacts environnementaux

3.       Restitution des résultats sous forme d’un rapport écrit respectant le cadre de l’ACV et d’une présentation orale

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- Identification des problèmes d'optimisation multi-objectifs : Exemples de décisions et de critères dans l'optimisation des systèmes énergétiques.

-  Présentation des principales méthodes d'optimisation multi-objectifs : Introduction aux approches d'optimisation et d'aide à la décision adaptées aux systèmes énergétiques.

- Identification des stratégies d'optimisation pertinentes : Sélection des approches appropriées en fonction des spécificités d'un problème donné.

-  Formulation des critères d'optimisation : Définition des critères techniques, économiques et environnementaux pour l'optimisation des systèmes énergétiques.

-  Étude de cas en bureau d'études : Analyse d'un système de cogénération chaleur-électricité par une turbine à gaz, avec formulation du problème, optimisation multi-objectifs et prise de décision basée sur des critères techniques, économiques et environnementaux.

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En plus des théories relatives à l'hybridation et à la gestion d'énergie des systèmes multi-sources, le cours est basé sur plusieurs exemples de systèmes énergétiques hybrides issus du retour d'expérience du laboratoire Laplace dans ce domaine de recherche. Ces exemples concernent en particulier le domaine de transport (l'aéronautique, le ferroviaire et le routier).

In addition to the hybridization theorie and the energy management of multi-source systems, the course is based on several examples of hybrid energy systems from the Laplace laboratory experience feedback. These examples relate in particular to the transport field (aeronautics, rail and road).

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À l’issue de ce module, les étudiants connaitront les éléments à prendre en compte lors du dimensionnement d’un réseau embarqué, comme les problématiques de qualité et stabilité, l’apport de l’hybridation, la sécurité et la fiabilité et la CEM.

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• Introduction : Grandeurs mesurables dans une chaîne électrochimique. Deux siècles de développement de l’électrochimie.
•  Les chaînes électrochimiques à l’équilibre. Force électromotrice. Potentiel d’électrode. Loi de Nernst. Générateurs primaires, secondaires, piles à combustible. Capacité, rendement.
•  Les chaînes électrochimiques traversées par un courant : Transfert électronique hétérogène. Couplage du transfert électronique hétérogène et des phénomènes de transport en solution. Les divers régimes cinétiques. Loi de Butler-Volmer. Intensité limite
•  Applications à la mise au point de procédés électrochimiques de synthèse. Applications à la corrosion. Applications à l’étude du fonctionnement des générateurs (charge, décharge).
• Aperçu sur les diverses méthodes électrochimiques. Potentiostat.

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les réseaux électriques intelligents plus communément nommés ‘’smart grids’’ se situent pleinement dans le contexte de la transition énergétique. L’électrification massive constitue une voie privilégiée vers la nécessaire décarbonation du paysage. Après la mécanisation et l’informatique (internet), les smart grids sont considérés comme la 3eme révolution industrielle, de par le fait qu’ils constituent le maillon essentiel pour favoriser l’équilibrage production consommation d’électricité qui deviendra de plus en plus précaire au fur et à mesure de l’intégration massive d’énergies renouvelables intermittentes (solaire, éolien). Les smart grids se définissent par l’idée d’intégrer infrastructure électrique (énergie) les Technologies de l’Information et de la Communication, ceci afin d’apporter la flexibilité nécessaire pour résoudre ce problème d’équilibrage de puissance dans des conditions fiables (résilientes aux défauts, cyberattaques,…) et pour un cout acceptable par les consommateurs.

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• Modélisation et optimisation de chaînes logistiques « énergie »

-       Principes de modélisation d’une chaîne logistique « énergie »

-       Classification des modèles énergétiques : modèles descendantes (top-down), ascendantes (bottom-up) et hybrides

-       Prise en compte de l’aspect multicritère

• Illustration dans un bureau d’études de conception d’une chaîne « hydrogène »

Utilisation d’un modèle existant

Analyse de scenarios de déploiement (production centralisée / décentralisée)

Calcul de LCOE, du potentiel de réchauffement climatique

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Ce module traite de la production d'hydrogène à faibles émissions de carbone par électrolyse. Il commence par donner un aperçu du marché de l'hydrogène et des procédés de production conventionnels. Il étudie ensuite les différentes technologies d'électrolyse, ainsi que leur modélisation et leurs caractéristiques opérationnelles. Le cours aborde les stratégies d'alimentation électrique, la gestion des auxiliaires et les contraintes de fonctionnement. La dernière partie est consacrée à l'analyse technico-économique du coût de l'hydrogène vert.

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- Introduction et concepts de base (rappels)

- Stockage de l’hydrogène sous forme gazeuse

- Stockage de l’hydrogène sous forme liquide (LH2)

- Stockage solide de l’hydrogène par absorption (Hydrures)

-Stockage solide de l’hydrogène par adsorption (adsorbants)

- Stockage de l’hydrogène dans les liquides organiques (LOHC)

- Stockage de l’hydrogène dans le sous-sol

- Risques associés à l’hydrogène

- Ouverture sur le mode de la recherche (technologies en rupture)

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Le bureau d’étude et de recherche est axé sur la pile à combustible et consiste en :

Evaluer deux méthodologies complémentaires de caractérisation expérimentale :

• • Tracé dynamique de courbe tension-courant.
  • Spectroscopie d’impédance.

Paramétrer un modèle dynamique de pile PEM à partir de ces caractérisations expérimentales effectuées.

Evaluer le comportement dynamique de la pile PEM face à des perturbations générées par la connexion de convertisseurs statiques.

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Introduction sur les biocarburants :

Filière bioéthanol 1ère génération:

- Propriétés et utilisations de l’éthanol carburant

- Procédé de production par filière : Schéma général, fermentation, préparation des matières premières, séparation de l’éthanol, perspectives d’amélioration

- Bilans énergétique et environnemental

- Développement de la filière (France, Europe, Monde)

Le biodiesel :

- Données générales : Physico-chimie, normes, rappel sur les production mondiales et européennes, sites de productions

- les matières premières et leur préparation.

Chimie et procédés, catalyse basique (Lurgi), hétérogène (EsterFIP), ouverture vers procédé HVO  

Le biogaz :

- Généralités et Production : Biogaz, GNV, Biogaz-carburant

- Transformations biologiques et Procédés

- Bilans environnementaux et économique en comparaison des autres utilisations

Les systèmes énergétiques biocatalysés: biopiles et électrolyseurs microbiens

• Contexte historique : de la recherche à la réalité économique pour des marchés de niche
• Deux familles de biopiles:
  • Les piles microbiennes
  • Les piles enzymatiques
• Production d’hydrogène par électrolyse microbienne

Le rôle de la recherche dans la production et l’utilisation du bioéthanol et du biodiesel, en relation avec les aspects énergétiques et environnementaux

• Introduction sur les enjeux des filières biocarburants
• Le rôle de la recherche pour la production de bioéthanol 
• Les biocarburants « deuxième génération »
• Innovation dans le domaine des procédés de production
• Concept de bioraffineries
• Le rôle de la recherche pour la production de biodiesel 
• Innovation en matière de raffinage et de transformation des huiles végétales
• Diversification des matières premières
• Adéquation entre motorisation et carburants oxygénés
• Bilans énergétiques et environnementaux

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- Problématique politique/économique/sociale/stratégique
       - nouvelles énergies
       - énergie renouvelable
       - avenir des énergies fossiles ?
       - énergie "propre" (cycle du CO2)
       - indépendance énergétique
- les voies de valorisation de la biomasse
       - pyrolyse lente basse T : bio -> liquide
       - pyrolyse rapide haute T : bio -> gaz+charbon
       - pyrolyse très haute température : bio -> gaz
- Généralités sur les procédés de conversion
       - Aspect technologique
       - filières (gaz, liquide, bases carburants, ...)
       - exemples de procédés

- Phénoménologie de la conversion de la biomasse

       - définition de la biomasse

       - les réactions, généralités

               - espèces mises en jeu

               - enthalpies de réaction => endothermicité => problématique de l'apport de la chaleur (combustion d'un résidu ou apport externe par combustion ou électrique)

- la pyrolyse et la vapogazéification à haute température

       - espèces mises en jeu

       - les réactions, détails

       - la thermo

       - comparaison aux résultats expérimentaux

       - la cinétique

              - la catalyse

       - bilan énergétique

- les réacteurs à lit fluidisé pour la mise en œuvre de la vapogazeification de la biomasse

            - introduction a la fluidisation

            - description des différentes approches de modélisation

                        - l'approche corrélative GC

                        - l'approche locale CFD

            - résumé des corrélations essentielles pour le prédimensionnement des réacteurs a lits fluidises

            - méthode de prédimensionnement des réacteurs

BER : exemple sur un procédé de conversion du bois en gaz

- description générale

- bilan enthalpique

- prédimensionnement des zones réactionnelles

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I L’énergie solaire : contexte et généralités

II La conversion photovoltaïque :

            Le rayonnement dans l’espace, sur Terre, masse atmosphérique

            Principes physiques, cellule à jonction PN, caractéristique, influence éclairement et T

            Matériaux et technologies des cellules photovoltaïques

III De la cellule au générateur photovoltaïque, modularité

Associations de cellules, mise en série, en parallèle, déséquilibres et protections

Modélisation, simulation, commande MPPT

IV Systèmes photovoltaïques

            Problématique, architectures, gestion de l’énergie (raccordé, isolé, stockage, …)

            Production énergétique, gisement solaire, caractérisation, dimensionnement, ACV

            Systèmes raccordés au réseau

            Systèmes autonomes non raccordés

V Calculs économiques : taux d’actualisation, inflation, TRI, LCOE, …

Les mécanismes d’aides : tarifs de rachat, compléments de rémunération.

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L’hydroélectricité : différents types d’ouvrages

Les barrages, leur classement et leur surveillance

Les différentes turbines et le choix en fonction des caractéristiques de l’ouvrage

L'hydrologie d'un aménagement, les ouvrages de prise d'eau, d'amenée et de restitution, les turbines et la puissance disponible, les impacts environnementaux et leurs mesures de réduction. Réglementation à appliquer.

Organisation et législation de la production hydraulique en France, contrats d’obligation d’achat

Prédimensionnement technico-économique d’une centrale (BE

Visite du site de production EDF Bazacle

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Au-delà des enseignements sur les énergies renouvelables (Photovoltaïque, éolien, biogaz,…), au cœur de notre formation Nouvelles Technologies de l’Energie, nous souhaitons donner aux étudiants une vision élargie des problématiques et enjeux de l’énergie. Pour cela nous faisons appel à des industriels spécialistes des différents domaines. Ils interviennent une journée ou une demi-journée, les étudiants font un résumé de l’intervention qui est évalué.

Exemples de journées thématiques :

JT : Enjeux de la transition énergétique : ASTIER Stephan, Professeur émérite, Toulouse INP

JT : PV :  CAUSSAT-BONNANS Brigitte

JT : Piles microbiennes

BASSEGUY Regine

JT : Piles microbiennes

BASSEGUY Regine, CNRS

JT : Procédés de Capture CO2

ALIX Pascal, IFPEN

JT : Energie Nucléaire

LATGE Christian, CEA

JT : Acceptabilité sociétale des énergies renouvelables

VERVIER Philippe Acceptable Avenirs

JT : Ecologie Industrielle

Marianne Boix, Ludovic Montastruc

JT : Aspect économique de l'énergie

LAFFORGUE Gilles, Toulouse Business School

JT : Analyse économique du marché de l’électricité

LEROYER Yoanne, Communauté de communes du Pays Basque

JT : Biogaz

PRIAROLLO Jeremie, Solagro

JT : Habitats

CAPITAINE Loic, Ecozimut

Nous effectuons également des visites de sites industriels pour illustrer les différents enseignements

Site de production Eolien Photovoltaïque Ville franche de Lauragais

Site de production hydroélectricité Le Bazacle Toulouse

Plateforme Smart ZAE SCLE INEO démonstrateur smart grids

Site de traitement des déchets et production biogaz Clerverts , Organic’Vallée

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Le cours comprend une partie théorique permettant de présenter l'application principale, de formaliser le modèle des signaux et les différentes méthodes de formation de faisceaux (conventionnelle et adaptative). Dans un deuxième temps, par groupes de 2-3, les apprenants étudient certaines méthodes à partir d'un syllabus et de codes fournis. Chaque groupe doit présenter une rapide synthèse de ces méthodes en en faisant une analyse critique.

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Le cours se déroule de la manière suivante :

CM1: Débruitage des signaux audio (suppression de clics, réduction du bruit de fond)

CM2: Factorisation en matrices non-négatives (NMF) et application à la séparation de sources audio

CM3: Modèles physiques pour la synthèse musicale

CM4: Panorama des méthodes d'IA pour le traitement des signaux audio

TP: Interpolation de signaux audio pour la suppression de clics

Projet : Rédaction d’un document de présentation de Shazam, Audionamix ou Spotify.

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