Conversion d'énergie dans une structure vibrante à actionneurs distribués // Energy conversion in a distributed actuators vibrating structure

Les actionneurs deviennent plus intelligents, plus légers et plus économes en énergie. Leur multiplication permet un meilleur contrôle des systèmes et l'obtention de champs de déplacement avancés. Par exemple, dans les applications industrielles, plusieurs actionneurs piézoélectriques sont collés sur des plaques pour générer des vibrations ultrasoniques, permettant ainsi le décrassage des membranes lors de procédés chimiques, un dégivrage efficace en avionique [1] ou encore la création de vibrations localisées en retour haptique [2, 3].

Ces architectures d'actionnement présentent toutefois plusieurs défis. En effet, comparées aux solutions utilisant moins d'actionneurs mais plus grands, l'obtention d'une conversion d'énergie à haut rendement avec des alimentations plus compactes se complexifie. De plus, le fonctionnement de chaque actionneur doit être coordonné avec celui des autres afin d'éviter toute interférence négative au sein du système. L'adaptation des conditions de fonctionnement optimales à la charge externe, variable dans le temps, complexifie encore la situation.

Dans ce contexte, le L2EP a développé une méthodologie basée sur la commande en boucle fermée de chaque actionneur. Cette approche mécatronique permet une architecture de commande optimisée tout en garantissant des performances exceptionnelles. De plus, l'effet de la charge mécanique sur le système peut être observé et estimé grâce au modèle inverse de ce dernier. Cependant, cette approche n'a pas été étendue à un très grand nombre d'actionneurs (> 25) et les conditions théoriques de stabilité n'ont pas été décrites.

L'objectif de cette thèse est de contrôler un grand nombre d'actionneurs couplés à une structure vibrante commune afin de générer des profils de vibration prédéfinis. Les conditions de stabilité seront établies pour l'action combinée de plusieurs actionneurs agissant sur la même structure. La polyvalence de l'approche proposée sera démontrée par des applications à des scénarios de vibrations hautes et basses fréquences. Compte tenu de la solide expertise et de la reconnaissance du laboratoire dans le domaine de l'haptique, ce domaine d'application émergent du contrôle des vibrations sera utilisé pour mettre en œuvre et évaluer les solutions proposées dans divers cas d'utilisation. L'estimation de la charge sera réalisée en temps réel afin de suivre les conditions de fonctionnement.
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Actuators are becoming smarter, lighter and more energy efficient. They can be multiplied in order to better control a system and achieve advanced displacement fields. For instance in industrial applications, several piezoelectric actuators are bonded on plates to create ultrasonic vibration to allow for membranes de-fouling in chemical processes, for efficient de-icing in avionics applications [1] or to create localized vibrations in haptics [2, 3].
These actuation architectures pose several challenges however. Indeed, compared to solutions with less but bigger actuators, achieving high efficiency energy conversion in smaller power supplies becomes more complicated. Moreover, the actions of each actuator must be orchestrated with the others so as not to produce negative interference in the system. The fact that the optimal operating conditions have to adapt to the external load, which vary in time, complicates complicate matters.
In this context, the L2EP developed a methodology which is based on the closed loop control of each actuator. This mechatronic approach allows for optimized control architecture yet ensuring outstanding performances. Moreover, the effect of the mechanical load on the system can be observed and estimated through the system's inverse model. However, the approach has not been extended to very large number of actuators (>25) and the theoretical stability conditions has not been described.
The objective of this thesis is to control a large number of actuators coupled to a common vibrating structure in order to generate predefined vibration patterns. Stability conditions will be derived for the combined action of multiple actuators acting on the same structure. The versatility of the proposed approach will be demonstrated through applications to both high-frequency and low-frequency vibration scenarios. Given the laboratory's strong expertise and recognition in the field of haptics, this emerging application area of vibration control will be used to implement and evaluate the proposed solutions across several use-case scenarios. Estimation of the load will be implemented in real time in order to follow the operating conditions.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Financement d'un établissement public Français

Université de Lille

632 ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

Le/la candidat(e) doit être titulaire d'un master (ou équivalent) en génie électrique, mécatronique ou physique appliquée. Les compétences requises sont les suivantes: * Commande: modélisation d'état, analyse de stabilité, conception de commandes par rétroaction et implémentation numérique. Électronique de puissance: compréhension des convertisseurs et optimisation du rendement. Systèmes électromécaniques: connaissance des actionneurs piézoélectriques, des vibrations et de l'impédance mécanique. Modélisation: modélisation de systèmes multiphysiques et identification de systèmes de base. Le/la candidat(e) doit faire preuve d'excellentes capacités d'analyse, d'autonomie et d'aptitude à travailler à l'interface entre la théorie et l'expérimentation, notamment pour les systèmes d'actionneurs distribués et évolutifs.
The candidate should hold a Master's degree (or equivalent) in Electrical Engineering, Mechatronics, or Applied Physics. Required skills include: * Control theory: state-space modeling, stability analysis, feedback control design, and digital implementation. Power electronics: understanding of converters, efficiency optimization. Electromechanical systems: knowledge of piezoelectric actuators, vibrations, and mechanical impedance. Modeling: multi-physics system modeling and basic system identification. The candidate should demonstrate strong analytical skills, autonomy, and the ability to work at the interface between theory and experimentation, particularly for scalable, distributed actuator systems.