Contribution à l'observation robuste des systèmes dynamiques incertains : application à la métrologie des faibles forces

Contribution to the robust observation of uncertain dynamical systems : application to small force metrology

• Auteur / Autrice : Fawzia Amokrane
• Direction : Emmanuel Piat, Joël Abadie, Adrien Drouot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 13/01/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Michèle Rombaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Piat, Joël Abadie, Adrien Drouot, Michèle Rombaut, Xavier Brun, Michel Zasadzinski, Zaccaria Silvestri, Luc Jaulin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Xavier Brun, Michel Zasadzinski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poids et mesures

Mots clés libres

Commande

Métrologie

Traçabilité

Ressorts magnétiques

Observateurs

Control

Métrology

Magnetic springs

Observers

Traceability

Résumé

La métrologie des faibles forces est devenue un domaine de recherche stratégique pour plusieurs instituts de métrologie à travers le monde. En effet, l'absence d'étalon de force dans la gamme inférieure à 10µN remet en question les mesures de force à cette échelle. L'objectif de cette thèse est de proposer une solution pour garantir la traçabilité des faibles forces dans la gamme inférieure à 100µN. Cette problématique a été adressée en combinant les outils de l'automatique aux outils classiques de la métrologie. Un générateur de forces, basé sur la technologie des ressorts magnétiques auto-stabilisés et sur le principe des machines à poids mort, a ainsi été développé. Il a été conçu et réalisé pour garantir l'application d'une force verticale de manière traçable au Système International d'unités. Une étude des perturbations qui dégradent la mesure a également été menée. Parmi ces perturbations, les vibrations sismiques génèrent des forces d'accélération qui agissent de manière dynamique et inconnue sur ce générateur. Afin d'en tenir compte, un accéléromètre a également été conçu et réalisé. Un nouvel observateur à entrée inconnue, appelé GeLESO (Generalized Linear Extended State Observer), a été développé pour estimer ces accélérations sismiques tandis que l'incertitude de mesure associée a été reconstruite par un nouvel observateur par intervalles appelé GeLESO par intervalles.

Small force metrology has become a strategic research area for several metrology institutes around the world. Indeed, the absence of a force standard in the range below 10µN makes the force measurements at this scale questionable. The objective of this thesis is to propose a solution to guarantee the traceability of low forces in the range below 100µN. This issue was addressed by combining the tools of control theory with the ones of conventional metrology. A generator of traceable forces, based on auto-stabilized magnetic springs and the concept of dead weight machines, has then been developed. This generator has been designed and realized to guarantee the application of a vertical force, traceable to the International System of units. A study of the disturbances that degrade the measurement was also made. Among these disturbances, seismic vibrations generate acceleration forces that act in a dynamical and unknown way on this generator. In order to take them into account, an accelerometer was also designed and built. A new unknown input observer, called GeLESO (Generic Linear Extended State Observer), was developed to estimate these seismic accelerations while the associated measurement uncertainty was computed by an new interval observer named GeLESO based interval.