Stéphane Brisset

Maître de conférences — Habilité à diriger des recherches

Encadrements doctoraux

Omessad HAJJI

Titre : Contribution de méthodes d'optimisation stochastiques - Application à la conception des dispositifs électrotechniques

Soutenance : le 3 décembre 2003 à l'Université des Sciences et Technologies de Lille

Encadrements de Doctorants

Le bilan des encadrements doctoraux est de 5 thèses soutenues et deux en cours.

Résumé : Les problèmes d'optimisation en électrotechnique présentent plusieurs difficultés liées aux besoins de l'utilisateur (recherche d'une solution globale, fiabilité et précision de la solution ...), aux caractéristiques du problème traité (non linéarité, dérivées difficilement accessibles, ...) et aux temps de calculs importants. La résolution de telles difficultés a fait l'objet de nombreux travaux en utilisant diverses méthodes d'optimisation. Les méthodes déterministes s'appuient sur le calcul d'une direction de recherche généralement liée à la dérivée des résultats par rapport aux paramètres de conception du dispositif. Elles ne sont réellement utilisables que dans le cas restreint où la solution cherchée est réputée proche d'une solution connue, point de départ de cette recherche. C'est pour lever cette difficulté que nous avons choisi de nous intéresser au développement des méthodes stochastiques et d'étudier leurs applications aux problèmes de conception rencontrés en électrotechnique.
Les trois méthodes stochastiques les plus prometteuses : algorithmes génétiques, recuit simulé et recherche taboue ont été implantées et testées. Ces méthodes ont une grande capacité à trouver l'optimum global du problème. Contrairement à la plupart des méthodes déterministes, elles ne nécessitent ni point de départ, ni connaissance du gradient de la fonction objectif pour atteindre la solution optimale. Cependant, elles demandent un grand nombre d'évaluations.
Pour résoudre ce problème, quelques contributions originales ont été apportées. Un nouveau critère d'arrêt pour les algorithmes génétiques, basé sur la méthodologie des surfaces de réponse, deux améliorations dans la détermination du vecteur pas du recuit simulé et une nouvelle méthode de recherche taboue avec un mécanisme d'exploration radicalement différent ont été proposés.
Plusieurs applications en électrotechnique sont étudiées afin de servir de cas test. Deux problèmes modélisés analytiquement, tels que la maximisation du rendement d'un moteur à courant continu sans balai et la minimisation du coût d'un transformateur triphasé. Deux problèmes utilisent la méthode des éléments finis. Il s'agit d'une bobine supraconductrice pour le stockage d'énergie et d'une presse à aimants.

Darius VIZIREANU

Titre : Optimisation de l'architecture des machines synchrones à aimants permanents et attaque directe de l'arbre moteur pour les applications fort couple et basse vitesse

Soutenance : le 9 juillet 2007 à l'Ecole Centrale de Lille

Résumé : Encouragé par le facteur économique (les productions décentralisées) et le facteur politique (protocole de Kyoto, conférence de Buenos Aires, le programme EOLE 2010 qui assigne l'objectif de 22% d'énergie renouvelable en 2010 dans l'Union Européenne), le marché éolien est en pleine expansion. Jeumont Industries, partenaire industriel dans cette étude, a développé dans les années 1990 un système éolien en attaque directe qui emploie une génératrice synchrone à aimants permanents réalisée en utilisant une structure originale à flux axial.
Les dernières décades ont apporté des avancées technologiques dans différents domaines comme les matériaux, notamment les aimants permanents, et l'apparition de nouveaux composants dans le domaine de l'électronique de puissance.
Prenant en compte ces évolutions technologiques, le but de l'étude est d'investiguer les possibilités d'augmenter la puissance d'un tel système en attaque directe, en utilisant la technologie Jeumont.
L'étude est fondée sur la construction d'un modèle multi-physique, multi-niveau et multi-échelle, qui combine des modèles éléments finis, des modèles dynamiques et des modèles de conception.
L'exploitation des modèles a permis de trouver la topologie du système qui répond le mieux aux critères de qualité imposés : une structure polyphasée avec un nombre de phases impair uniformément réparties. Par leurs performances, les structures polyphasées permettent de simplifier la construction de la machine en utilisant un bobinage concentré. Les différentes configurations possibles sont déterminées, analysées et classées. Les meilleures sont optimisées et l'ensemble des compromis entre la composante économique du système et ses performances est tracé, permettant au concepteur de faire un choix final.

Partenaire : Jeumont Electric

Aurélie FASQUELLE

Titre : Conception et optimisation multi-objectif, électro-vibro-acoustique et thermique de machines électriques de traction

Soutenance : 30 novembre 2007 à l'Ecole Centrale de Lille

Résumé : Le développement important ces dernières années du secteur du transport s'est accompagné d'une inquiétude accrue pour le respect de l'environnement. Bien que le transport ferroviaire présente une efficacité énergétique élevée, il n'est pas pour autant dénué de nuisances environnementales. L'intégration du développement durable lors de la conception optimale de machines électriques devient alors indéniable. Cela impose de tenir compte simultanément d'un grand nombre de phénomènes physiques. Cette thèse a alors pour objectif de mettre en avant une méthodologie de conception en accord avec la volonté actuelle d'optimisation économique et écologique. Un modèle multi-physique a alors été développé dans le but de représenter les phénomènes électromagnétiques, vibro-acoustiques et aérothermiques dans un moteur asynchrone fermé auto-ventilé dédié à la traction ferroviaire. Ce modèle est en fait composé de plusieurs modèles, analytiques ou semi-analytiques, interagissant entre eux. Chaque modèle représente des phénomènes physiques spécifiques. Un intérêt particulier a été porté au modèle aérothermique et au modèle de pertes, notamment pour la modélisation des pertes au sein du circuit magnétique. Bien qu'ils soient tous deux analytiques, le développement de ces deux modèles a fait appel à des études numériques préalables. L'efficacité du modèle multi-physique et son respect des tendances d'évolution ont pu être mis en évidence par une comparaison avec des résultats d'essais expérimentaux sur moteur réel et par une analyse de l'influence des incertitudes.

Partenaire : Alstom Transport Ornans

Fouzia MOUSSOUNI

Titre : Méthodologie et outils adaptés à l'optimisation globale et multicritère de systèmes complexes

Soutenance : 8 juillet 2009 à l’Ecole Centrale de Lille

Résumé : La conception d'un système électrique de transport ferroviaire telle qu'une chaîne de traction est une tâche très complexe faisant appel à des experts de différents domaines de compétence. Pour faire face à une concurrence internationale et maintenir une avance technologique, les constructeurs cherchent à réduire le temps d'étude des systèmes électriques et à fiabiliser les solutions trouvées par une méthodologie rigoureuse fournissant une solution optimale au sens systémique.

Afin de répondre à toutes ces attentes, il est nécessaire de construire des modèles adaptés et de trouver par la suite des méthodes d'optimisation adéquates dans l'objectif d'assurer une conception optimale et systémique. En effet, la conception individuelle de sous-systèmes (ou composants) sans prendre en compte les interactions ne permet pas d'obtenir un système optimal. Plus le système est complexe plus le travail est difficile et le temps de développement est important car il est difficile pour le concepteur d'appréhender le système dans toute sa complexité. D’ou la nécessité d'intégrer la conception des composants dans une optimisation systémique et globale.

« Target Cascading » est une méthode d'optimisation multi-niveau de systèmes complexes. Cette approche consiste à décomposer un système complexe en plusieurs sous-systèmes, et les sous-systèmes sont décomposés à leur tour en composant plus facile à optimiser par des algorithmes classiques. Par la suite, une solution optimale est trouvée en assurant une coordination cohérente de tous les sous-systèmes.

Une partie de la thèse est consacrée à l'optimisation de composants électriques, à savoir un moteur roue sans balais, un transformateur de sécurité ou encore un moteur de traction. Ces composants ont servis de cas test dans le but de tester les différents algorithmes d'optimisation multi-objectif et/ou à variables mixtes étudiés et proposés dans cette étude.

L'optimisation multi-niveau de systèmes complexes est étudiée dans la deuxième partie de la thèse, où une chaîne de traction électrique est choisie comme un exemple d'un système complexe. L'approche de décomposition hiérarchique de la méthode « Target Cascading » est bien adaptée à la démarche de conception optimale des systèmes complexes, tout en respectant l'organisation par produit de l'entreprise.

Partenaire : Alstom Transport Ornans

Tuan Vu TRAN

Titre : Problèmes combinatoires et choix structurels dans la conception optimale en génie électrique

Soutenance : 18 juin 2009 à l’Ecole Centrale de Lille

Résumé : La conception des machines électriques a une longue tradition et l’approche « business as usual » est un processus itératif d’essais et d’erreur, certes convergeant mais nécessairement stoppé prématurément, car trop couteux. Un perfectionnement récent a consisté à remplacer les prototypes et les maquettes par des prototypes virtuels, entièrement numériques, comme ceux fournis par la méthode des éléments finis. Néanmoins, le procédé s’arrête toujours sur une frustration car le concepteur n’est jamais sûr d’avoir exploré complètement l’espace de conception qui s’offre à lui.

La démarche de conception optimale se propose d’améliorer ce processus en le guidant, c'est-à-dire en proposant une méthodologie, et en l’automatisant, c'est-à-dire en proposant des outils logiciels. Mais dans cette démarche apparaissent de nombreuses difficultés.

Ainsi, les objectifs généraux de cette thèse sont multiples. Il s’agit de définir des problèmes d'optimisation spécifiques représentatifs des choix structurels et d’élaborer des benchmarks de référence : discret, multi-physique, multidisciplinaire, multi-objectif et multi-niveaux. Ensuite, il faut rechercher, adapter et qualifier les méthodes d'optimisation les mieux à même de résoudre ces problèmes. Enfin, les différentes méthodes d'optimisation proposées sont implantées et testées de façon à prouver leur efficacité et leur adaptation. Un objectif secondaire mais important est de les capitaliser et diffuser les connaissances élaborées.

Ramzi BEN AYED

Titre : Ecoconception des chaînes de traction ferroviaire

Début : 1er octobre 2009

Partenaire : Alstom T&D Valenciennes

Contexte : En réponse aux attentes de ses parties prenantes concernant la préservation de l'environnement, ALSTOM s’est engagée depuis quelques années dans un mouvement volontaire visant à introduire la préoccupation environnementale au cœur de la démarche de conception de ses produits. Dans ce cadre Alstom Transport développe des technologies capables de répondre aux besoins présents tout en répondant aux besoins de mobilité durable de notre futur. L'innovation technologique visant à réduire les consommations d'énergies, à réduire les émissions et leur nocivité ainsi qu'à préserver les ressources naturelles, permettent de s'intégrer dans la mobilité durable, dès aujourd’hui.

Par ailleurs, les pressions politiques, réglementaires et normatives ainsi que les exigences contractuelles dans de nombreux secteurs industriels ne cessent d’augmenter en matière d’écoconception. L’enjeu est donc de taille pour tous les développements méthodologiques et technologiques permettant de minimiser l’empreinte écologique des produits.

Des travaux précédents ont permis le développement d’un outil de conception systémique pour les chaînes de traction ferroviaire. Il permet de simuler le comportement cinématique, thermique et électrique du sous-système de traction et d’en optimiser les performances.

Il convient par ailleurs de quantifier les impacts environnementaux du berceau jusqu’à la tombe afin de trouver le meilleur compromis écolo-économique au moyen des techniques d’optimisation. Dans ce cadre, l’objectif de la thèse et de développer et d’intégrer dans l’outil de conception systémique un modèle permettant de simuler le comportement écologique au même titre que les comportements cinématique, thermique et électrique. 

Mathieu ROSSI 

Titre : Conception holistique des transformateurs et inductances du sous-système chaine de traction ferroviaire

Début : 1er octobre 2009

Partenaire : Alstom T&D Charleroi

Contexte : L’objectif de cette étude est de construire et valider des modèles de conception électro-vibro-acoustiques, thermiques et environnementaux des composants passifs, type transformateur, dans leur environnement (intégration des convertisseurs). Cette étape de modélisation se prolongera par une optimisation multi-objectif afin de minimiser les aspects bruit & vibrations mais aussi la température, l’encombrement, les impacts environnementaux tels que l’émission de gaz à effet de serre, la masse... La réalisation d’un outil d’optimisation multi-objectif permettra une aide à la spécification et la conception de tels composants.

L’intérêt scientifique concerne la conception holistique : intégration du composant dans son système en se reposant sur des modèles multi-physique afin d’établir des règles de conception silencieuse en minimisant les aspects économiques et environnementaux. L’ensemble des compromis optimaux entre les impacts locaux ou globaux et les masses seront mis en évidence. 

Martin CANTEGREL  

Titre : Approches multi-niveaux pour la conception systémique optimale des chaines de traction ferroviaire

Début : 1er octobre 2009

Partenaire : Alstom T&D Charleroi

Contexte : Le développement des méthodes de conception optimale systémique est un enjeu stratégique dans les domaines de l’aéronautique, de l’automobile et du ferroviaire, qui sont caractérisés par des produits complexes et des marchés mondiaux fortement concurrentiels. Ces méthodes sont indispensables aux technologies de demain. Elles seules permettront de concevoir les systèmes complexes adaptés à la multiplicité des services attendus par les clients  et soumis à un nombre croissant de contraintes économiques, sociétales et environnementales.

En effet, d’une part l’optimisation séparée des composants conduit à des systèmes généralement sous-optimaux voir même défaillants. Sans précaution particulières, l’optimisation d’un composant peut entrainer un accroissement des contraintes supportées par un autre composant, qu’il soit situé au même niveau ou à d’autres niveaux, et ainsi provoquer sa défaillance.

D’autre part, la gestion des cahiers des charges des composants ou sous-systèmes est une tâche compliquée, parfois masquée, souvent manuelle et réalisée par l’intermédiaire de nombreuses concertations entre les différentes équipes disciplinaires.

Dans l’approche de conception optimale systémique, les cahiers des charges de tous les composants sont générés à partir du seul cahier des charges du système, généralement simple, et leur consistance est maintenue par le processus même d’optimisation, qui garantit ainsi simultanément l’optimalité de chaque composant et du système complet.