MASTER ELECTRICAL ENERGY SYSTEMS

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

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1. Introduction à l’automatique des systèmes non linéaires

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

2. Méthode du premier harmonique

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

3 Méthode du plan de phase

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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Voici les différents thèmes qui seront abordés dans ce cours :

• Caractéristiques et propriétés des matériaux
• Élaboration des matériaux
• Emploi général des grandes familles de matériaux

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- Rappels de la définition de matériaux intelligents

- Description des principes physiques intervenant dans la magnetostriction, la piezoelectricité, les alliages à mémoire de forme.

- Comparaison des performances électromécaniques des solutions et illustration des champs applicatifs

- Approfondissement des principes et de la mise en oeuvre des matériaux piézoélectriques

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Principes des éléments finis 

formulation variationnelle
fonctions de bases et discrétisation
maillages 1D et 2D
résolution.
BE d’application à l’aide de la PDE toolbox matlab sur des problèmes liés à l’électronique (physique du semi-conducteur, guide d’ondes)

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• Avantages de la mécanique Lagrangienne :

Elle permet d'établir la loi de comportement d'un système en analysant les échanges d'énergie de ce dernier avec l'extérieur contrairement à la mécanique Newtonienne qui permet d'établir la loi de comportement d'un système en analysant les efforts qui s'appliquent sur chacun des solides qui le composent. Ainsi :

- Pas besoin de manipuler tous les efforts qui n'échangent pas d'énergie avec le système comme, par exemple, les efforts de liaison. Ceci permet de simplifier l'étude des systèmes complexes à grand nombre de solides (et donc de liaisons).

- L'approche énergétique permet de traiter des systèmes multiphysiques.

- Il s'agit d'un approche scalaire (énergies) plutôt que vectorielle (efforts).
- Plus besoin d'isoler chaque solide.

• Contenu du cours : (6 créneaux de cours, 1 créneaux de TD) 

- Rappel des notions principales de mécanique (repères, forces, moments, liaisons cinématiques...).

- Rappel des principes de la mécanique Newtonienne (PFD).
- Présentation des concepts utilisés en mécanique Lagrangienne (mobilité d'un système, coordonnées généralisés, énergies).

- Présentation des équations de mécanique Lagrangienne à partir des équations de mécanique Newtonienne.
- Présentation du concept de mobilité virtuelle.
- Ajustement des équations afin de pouvoir traiter des problèmes

électromécaniques.
Les cours se feront au tableau et devront être recopiés par les étudiants.

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- illustration de problèmes de design formalisés comme des problèmes d'optimisation avec contraintes

- Rappels sur l'optimisation sans contrainte : Théorèmes Mathématiques et Algorithmes de Gradient, Gradient à pas optimal, Newton et quasi-Newton.

- Optimisation avec contraintes de bornes sur les variables : premier algorithme simple de projection

- Formalisation mathématiques des problèmes d'optimisation avec contraintes.

- Présentation des méthodes de Pénalisation

 - Définition de la fonction de Lagrange

- Théorème KKT (Karush-Khun-Tucker) 

- Algorithme d'Uzawa, Active-set, SQP, algorithme des points intérieurs

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Ce BE présente une méthodologie moderne de conception d’actionneurs électromécaniques fondée sur l’optimisation numérique. Il couvre les étapes essentielles en partant des bases de la modélisation électromagnétique, de la formulation des objectifs (volumes, masse, pertes), de la prise en compte des contraintes (mécaniques, géométriques, de couple ou de rendement) et de sa résolution par des algorithmes adaptés. L’accent est mis sur l’utilisation de modèles principalement analytiques (rapides) dans la boucle d’optimisation, ainsi que sur les compromis temps de calcul / précision. Le cours s’appuie sur des exemples concrets d’actionneurs et de moteurs issus de la R&D industrielle. Les étudiants découvriront comment passer d’un cahier des charges à une architecture optimale, en réduisant les itérations manuelles.

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- formuler et justifier des hypothèses simplificatrices permettant de définir un problème de magnétostatique

- résoudre un problème de magnétostatique 2D en coordonnées polaires régi par une équation de Laplace en potentiel vecteur magnétique

- calculer et exprimer les grandeurs observables d'un machine électrique à partir de ses caractéristiques géométriques et structurelles

- appliquer la méthode proposée dans le cas d'un modèle simplifié de machines synchrone à aimants permanents avec ou sans encoches

- lister les étapes principales de cette méthode dans le cas d'un modèle simplifié de machine asynchrone à double alimentation et de machine à courant continu

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-  Statique des Fluides
- Theoreme de Bernoulli
- Theoreme d'Euler
- Pertes de Charges

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1 semestre de 12 séances interactives et hebdomadaires.

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Développer ses compétences en communication professionnelle en effectuant des tâches de communication courantes, écrites et orales, en langues étrangères autre que l'anglais.

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Les cours d'éducation physique et sportive sont répartis sur 4 semestres et comprennent 80 heures de formation en présentiel au maximum. Ils sont organisés par le département d'éducation physique et sportive de l'INP (Département d'Éducation Physique et Sportive, DEPS-INP), qui propose également  la participation à de nombreux tournois et événements universitaires. Il existe une association sportive étudiante dynamique qui propose un large éventail d'activités tout au long de l'année scolaire. 

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M1 Leadership 1 : Gestion des conflits    

Session 1 : Introduction à la gestion des conflits 
Session 2 : Processus de gestion de la communication 
Session 3 : Négociations 
Session 4 : Conflits entre cultures 1 
Session 5 : Conflits entre cultures 2 
Session 6 : Jeux de rôles.

M1 Leadership 2 : Jeu d'entreprise en comptabilité managériale  

A l'issue du module, les étudiants auront : 

● s'être familiarisés avec un certain nombre de concepts clés de l'entreprise (recrutement/RH, 
gestion/finance, marketing/communication, etc ;)
● ont travaillé en équipe et en tant que leaders pour prendre des décisions commerciales stratégiques complexes 
en respectant les contraintes, les délais, les objectifs, etc ;
● mesuré l'impact de leurs décisions sur les performances de l'entreprise.

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

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

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

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

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

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

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1. Introduction à l’automatique des systèmes non linéaires

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

2. Méthode du premier harmonique

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

3 Méthode du plan de phase

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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En principe, cet enseignement suit le plan suivant :

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

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

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

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

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

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

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

- exemple de convertisseur dit quasi-résonnant.

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

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

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

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Plan du cours:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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1 semestre de 12 séances interactives et hebdomadaires.

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Développer ses compétences en communication professionnelle en effectuant des tâches de communication courantes, écrites et orales, en langues étrangères autre que l'anglais.

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Les cours d'éducation physique et sportive sont répartis sur 4 semestres et comprennent 80 heures de formation en présentiel au maximum. Ils sont organisés par le département d'éducation physique et sportive de l'INP (Département d'Éducation Physique et Sportive, DEPS-INP), qui propose également  la participation à de nombreux tournois et événements universitaires. Il existe une association sportive étudiante dynamique qui propose un large éventail d'activités tout au long de l'année scolaire. 

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M1 Leadership 1 : Gestion des conflits    

Session 1 : Introduction à la gestion des conflits 
Session 2 : Processus de gestion de la communication 
Session 3 : Négociations 
Session 4 : Conflits entre cultures 1 
Session 5 : Conflits entre cultures 2 
Session 6 : Jeux de rôles.

M1 Leadership 2 : Jeu d'entreprise en comptabilité managériale  

A l'issue du module, les étudiants auront : 

● s'être familiarisés avec un certain nombre de concepts clés de l'entreprise (recrutement/RH, 
gestion/finance, marketing/communication, etc ;)
● ont travaillé en équipe et en tant que leaders pour prendre des décisions commerciales stratégiques complexes 
en respectant les contraintes, les délais, les objectifs, etc ;
● mesuré l'impact de leurs décisions sur les performances de l'entreprise.

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

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

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

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

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

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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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• 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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- 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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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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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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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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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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Développer ses compétences en communication professionnelle en effectuant des tâches de communication courantes, écrites et orales, en anglais.

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Enseignement spécifique pour approfondir son anglais scientifique.

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Enseignement spécifique pour atteindre le niveau B2.

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Enseignement spécifique pour préparer le Cambridge Proficiency ou un projet.

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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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Développer ses compétences en communication professionnelle en effectuant des tâches de communication courantes, écrites et orales, en anglais.

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Enseignement spécifique pour approfondir son anglais scientifique.

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Enseignement spécifique pour atteindre le niveau B2.

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Enseignement spécifique pour préparer le Cambridge Proficiency ou un projet.

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- analyser et synthétiser efficacement de façon à mieux communiquer oralement et à l’écrit, à propos de thèmes suivants : réussir son entretien de recrutement en présentiel en distanciel, les speed net working, le marché de l’emploi, le développement des starts up les codes du recrutement, point sur les outils du recrutement, utilisation de LINKEDIN, négocier son contrat de travail, son salaire, l’intérêt de l’expatriation…

- apprendre à mieux se connaître (ses points faibles et ses points forts) afin de mieux communiquer.

METHODE

- apports théoriques,  «Communication écrite, orale», et «Bien démarrer sa vie professionnelle»

- mise en situation, avec la présentation orale (diaporama) et écrite d’un sujet en lien avec le recrutement,

- connaissance de soi, pédagogie inversée, développement du leadership, accompagnement adapté.

EVALUATION DES ETUDIANTS 

Elle portera sur la réalisation d’exercices concernant : la rédaction d’un CV et d’une lettre de motivation efficaces, des simulations d’entretiens de recrutement, des présentations écrites et orales à propos des thèmes précisés ci-dessus.

ORGANISATION DES COURS 

Les cours « Insertion professionnelle » s’organisent ainsi, il y a un décloisonnement des enseignements, ils sont orientés vers la recherche de stage/emploi et la communication :

- des forums du recrutement et des carrières sont proposés,

- les cours et TD sont donnés durant le semestre 1 de l’année universitaire (bac +5),  soit 8 heures.

Ce calendrier est ponctué d’échanges par e-mail et en face à face avec l’enseignante, en fonction des besoins de l’étudiants.

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Projet visant à développer ses compétences en Entrepreneuriat.

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Il y a des Cours sur la gestion de projet pourvus par un industriel. 

Un sujet technique est proposé par un industriel aux étudiants. Ils ont donc une présentation du sujet en début de Corporate Project. Les étudiants s'auto-organisent pour répondre au cahier des charges et ils développent la solution technique dans ce cadre. Au cours du projet, un ou plusieurs points d'étape sont effectués avec l'industriel afin de valider / réorienter les choix de la solution technique et/ ou l'organisation du projet. En fin de corporate project, une soutenance présentant l'organisation du projet et la solution technique proposée est effectuée. 

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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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2 volumes de cours magistraux :  architecture et contrôle (3 * 1h45)

- HP composants semiconducteurs (2 * 1h45)

- MC 
1 Bureau d'étude (2 *3h30), s'appuyant sur l'utilisation et l’amélioration d'un modèle de simulation (logiciel PLECS):  

 + étude de l'architecture et une implémentation de la commande d'un drive (machine synchrone à aimant permanent)    

+ étude et dimensionnement de l'étage de filtrage (coté DC de l'onduleur)    

+ étude des réversibilités du courant prélevé par l'onduleur sur la source DC    

+ mise en évidence du phénomène d'instabilité et dimensionnement d'une solution stabilisatrice    

+ étude des pertes générées dans les composants semi-conducteur constituant la cellule de commutation de l'onduleur,   

+ analyse de la datasheet d'un transistor de puissance MOSFET SiC et IGBT Si    

+ dimensionnement du nombre de modules de puissance à utiliser en fonction d'un point de fonctionnement visé    

+ utilisation de modèles PLECS de pertes des transistors et de diodes SiC et Si    

+ dimensionnement du dissipateur thermique et simulation thermique du montage

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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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Partie théorique :

I - Présentation générale de la Compatibilité Electromagnétique

II- Techniques et outils pour les investigations CEM

III – Méthodologies et techniques de réduction des risques CEM

Partie appliquée/BE :

-Synthèse/applications :  7 cas d'études CEM sur des architectures et cartes électroniques d'un système mécatronique embarqué.

-Analyse CEM complète d'un système mobile autonome 

-Spectres d'émission des circuits de puissance

-Cas d'immunité des circuits de commande et des capteurs.

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• Analyse statistique du comportement des systèmes dynamiques soumis à des perturbations aléatoires.
• Estimation Bayésienne et équations du filtrage optimal
• Algorithmie du filtrage de Kalman et de ses variantes (filtre de Kalman étendu et filtre de Kalman sans parfum). 
• Propriétés et réglage du filtre.
• Choix et développement d'un modèle pour la synthèse du filtre en fonction des objectifs
• Application à l'estimation de la charge d'un moteur, 
• Application à la commande sans capteur des moteurs.

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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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Développer ses compétences en communication professionnelle en effectuant des tâches de communication courantes, écrites et orales, en anglais.

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Enseignement spécifique pour approfondir son anglais scientifique.

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Enseignement spécifique pour atteindre le niveau B2.

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Enseignement spécifique pour préparer le Cambridge Proficiency ou un projet.

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- analyser et synthétiser efficacement de façon à mieux communiquer oralement et à l’écrit, à propos de thèmes suivants : réussir son entretien de recrutement en présentiel en distanciel, les speed net working, le marché de l’emploi, le développement des starts up les codes du recrutement, point sur les outils du recrutement, utilisation de LINKEDIN, négocier son contrat de travail, son salaire, l’intérêt de l’expatriation…

- apprendre à mieux se connaître (ses points faibles et ses points forts) afin de mieux communiquer.

METHODE

- apports théoriques,  «Communication écrite, orale», et «Bien démarrer sa vie professionnelle»

- mise en situation, avec la présentation orale (diaporama) et écrite d’un sujet en lien avec le recrutement,

- connaissance de soi, pédagogie inversée, développement du leadership, accompagnement adapté.

EVALUATION DES ETUDIANTS 

Elle portera sur la réalisation d’exercices concernant : la rédaction d’un CV et d’une lettre de motivation efficaces, des simulations d’entretiens de recrutement, des présentations écrites et orales à propos des thèmes précisés ci-dessus.

ORGANISATION DES COURS 

Les cours « Insertion professionnelle » s’organisent ainsi, il y a un décloisonnement des enseignements, ils sont orientés vers la recherche de stage/emploi et la communication :

- des forums du recrutement et des carrières sont proposés,

- les cours et TD sont donnés durant le semestre 1 de l’année universitaire (bac +5),  soit 8 heures.

Ce calendrier est ponctué d’échanges par e-mail et en face à face avec l’enseignante, en fonction des besoins de l’étudiants.

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Projet visant à développer ses compétences en Entrepreneuriat.

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Il y a des Cours sur la gestion de projet pourvus par un industriel. 

Un sujet technique est proposé par un industriel aux étudiants. Ils ont donc une présentation du sujet en début de Corporate Project. Les étudiants s'auto-organisent pour répondre au cahier des charges et ils développent la solution technique dans ce cadre. Au cours du projet, un ou plusieurs points d'étape sont effectués avec l'industriel afin de valider / réorienter les choix de la solution technique et/ ou l'organisation du projet. En fin de corporate project, une soutenance présentant l'organisation du projet et la solution technique proposée est effectuée. 

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La conception des machines électriques vise principalement à satisfaire les spécifications de couple, de vitesse ou de position pour répondre à une application. Il existe cependant de multiples phénomènes pouvant significativement impactés le dimensionnement. Des phénomènes vibratoires, thermiques ou bien encore électromagnétiques interviennent. Une connaissance avancée de ces phénomènes permet ainsi leur prise en considération.

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Les étudiants apprendront à établir des modèles analytiques pour décrire le comportement dynamique des machines, en tenant compte des interactions entre le champ magnétique, la mécanique du rotor et les courants électriques. L’accent sera mis sur l’étude des effets de l'asynchronisme, du glissement et des pertes dans les performances globales des moteurs. Les étudiants développeront des compétences pour résoudre ces modèles à l’aide de méthodes analytiques et comprendre l’impact des différentes configurations et conditions de fonctionnement. Enfin, des études de cas et des simulations pratiques permettront de valider les modèles théoriques et d’appliquer ces connaissances à l’optimisation des machines asynchrones dans des applications industrielles.

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