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Modélisation et asservissement d’une ligne pilote de recyclage pour matériaux composites thermoplastiques

Mots-clés : modélisation multiphysique, identification de modèle, commande robuste, système à retard, ligne de production

Cette thèse de doctorat à caractère industriel associe le CETIM Grand Est au laboratoire ICube.

  • CETIM Grand Est

Structure leader du soutien technologique aux industriels régionaux, et en association avec le CETIM, le CETIM Grand Est (CA d'environ 7 M€) offre une large palette de compétences dans les domaines des expertises multi-matériaux, de l'ingénierie des matériaux et de la maîtrise des productions dans l'Industrie du Futur.

Véritable charnière entre le monde de la Recherche et celui des entreprises, membre de l'Institut Carnot MICA, le Centre contribue au travers de ses actions de recherche, de diffusion et de transfert au développement économique de ses partenaires et clients industriels par la technologie et l'innovation.

A l'écoute permanente des attentes du tissu industriel, le CETIM Grand Est s'est donné pour ambition de développer de nouvelles activités et marchés notamment dans le domaine de la Plasturgie au sens large (matériaux polymères et composites)

Pour y parvenir, les équipes pluridisciplinaires du CETIM Grand Est (80 collaborateurs) disposent d'équipements de haute technologie regroupés en plateformes de proximité, qu'ils exploitent pour accompagner l'innovation dans les entreprises au travers de projets de recherche appliquée d'intérêt collectif.

C'est ainsi pour répondre à une demande de l'industrie productrice et utilisatrice de matériaux composites thermoplastiques que la plateforme R&D "Composites & Recyclage" a été mise en service en 2017.

  • Le projet

Actuellement, l'usage des matériaux composites se généralise dans de nombreux secteurs: aéronautique, automobile, sports de loisirs… Or, dans près de 90% des cas, et malgré les développements technologiques de ces dernières années, les chutes de production ainsi que les produits en fin de vie partent en enfouissement ou incinération. Outre leur impact environnemental défavorable, ces deux voies de recyclage sont peu ou pas valorisantes et font surtout perdre au matériau composite toutes ses potentialités en termes de performances mécaniques.

C'est en partant de ce constat que les équipes R&D du pôle "Ingénierie des Plastiques & Composites" ont décidé de mener un projet d'envergure avec pour objectif principal l'émergence d'une nouvelle solution de recyclage à haute valeur ajoutée, qui permettrait de tirer le meilleur profit du matériau à revaloriser, que ce soit en termes économiques et de propriétés mécaniques.

Le CETIM Grand Est, avec l'appui du CETIM, a ainsi décidé dès 2011 d'explorer ce domaine en lançant le projet ECOTREVE. Il a pour objectif final le développement d'une filière de recyclage inédite et innovante, basée sur le principe de l'économie circulaire et qui vise à élaborer des matériaux hautes performances à partir de déchets plastiques et composites thermoplastiques. Mené au sein d'un consortium avec trois industriels (le recycleur PAPREC Plastiques, le thermoformeur PLASTIFORM et le chaudronnier plastique AIREPUR INDUSTRIES) et deux laboratoires universitaires (l'institut de Sciences des Matériaux IS2M et le laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie ICUBE [JBW18]), le CETIM Grand Est a, dans une première phase du projet, conçu et mis en service une ligne de recyclage des composites thermoplastiques à l'échelle d'un pilote industriel afin de pouvoir démontrer la faisabilité technique du procédé qu'il a imaginé.

Inspiré de la fabrication des panneaux de bois lamellés collés OSB, le procédé commence tout d'abord par un déchiquetage en fragments de plusieurs centimètres carrés des pièces composites à recycler. Ces morceaux sont ensuite déposés en lit homogène qui vient alimenter la ligne de production. Ensuite, par un procédé thermomécanique breveté (appelé Thermosaïc®), les fragments sont réagglomérés sous forme de plaques continues consolidées. Ces plaques présentent une résistance mécanique élevée par conservation d'une longueur de renfort suffisante. Leur structure originale en fait des matériaux quasi-isotropes, faciles à transformer par des technologies éprouvées dans la plasturgie: thermoformage, pliage, calandrage, soudage…

  • ICube

Unité mixte de recherche de l’Université de Strasbourg, du CNRS et de l’INSA, le laboratoire ICube regroupe les activités de recherche en ingénierie, en informatique et en traitement d’images de Strasbourg. A ce titre, il est le partenaire académique de nombreux projets industriels. L’équipe AVR (Automatique-Vision-Robotique), qui dispose d’un spectre large de compétences autour de la conception et de la commande de systèmes robotiques et industriels, sera le partenaire scientifique de ce projet. Elle apportera ses compétences dans les domaines de la modélisation et de la commande [CCL16 , HLB14, LK05].

  • La problématique

L’objectif de cette thèse est d’une part de développer un modèle fin du processus et d’autre part de proposer des lois de commande permettant d’assurer une production de qualité.

Le modèle sera établi à partir des connaissances issues de la physique et de données issues d’expériences à réaliser. Il permettra de reproduire l’ensemble des phénomènes affectant la qualité de la production. Il s’agira dans un premier temps d’identifier les phénomènes pertinents à intégrer dans le modèle et de les mettre en équation. Dans un second temps, des expériences seront conçues permettant d’estimer avec une précision suffisante les paramètres du modèle. Le modèle comportera des éléments aléatoires dont les propriétés statistiques devront être évaluées. Une étape préliminaire concernera le choix de capteurs et leur intégration à la ligne. Ce modèle sera construit de sorte qu’il puisse s’adapter aux développements de nouvelles lignes présentant des caractéristiques différentes.

Les lois de commande à développer permettront d’assurer une production de qualité en présence des aléas que représentent les conditions de l’environnement (température, humidité) et les aléas du débit d’entrée. Du fait d’un retard important et variable entre l’instant où le débit d’entée est modifié et les répercutions en fin de ligne, on se tournera vers les approches dédiées à ce type de système [Bah83, WNK96, WNZ17]. De plus, on cherchera à garantir une bonne robustesse face aux erreurs de modèles et une bonne capacité à s’adapter aux variations de régime de la ligne. Les approches permettant de régler des correcteurs structurés tout en assurant des critère de performance basées sur des normes pourront être utilisés [ADN15]. Des approches alternatives par apprentissage automatique, issues de l’intelligence artificielle, pourront également être développées et comparées aux approches plus standards. Les approches seront d’abord validées en simulation avant d’être validées sur la ligne pilote.

  • Références

Le procédé Thermosaïc® est une marque déposée et la ligne de production associée a fait l'objet de deux dépôts de brevets:

- « Procédé de Recyclage de pièces en composites », FR3007684 (A1)

- « Method and apparatus for producing a thermoplastic material », WO2018104613 (A1)

La ligne de recyclage a été récompensée par un JEC AWARDS en 2018 dans la catégorie « Sustainability ».

[ADN15] P. Apkarian, M. N. Dao and D. Noll, « Parametric Robust Structured Control Design », IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 60, no. 7, pp. 1857-1869, July 2015.

[Bah83] A. Bahill, « A simple adaptive Smith-predictor for controlling time-delay systems: A tutorial », IEEE Control Systems Magazine, vol. 3, no. 2, pp. 16-22, May 1983.

[CCL16] R. Chellal, L. Cuvillon, E. Laroche. « Model identification and vision-based H∞ position control of 6-DoF cable-driven parallel robots », International Journal of Control, pp. 1-18, 2016

[HLB14] H. Halalchi, E. Laroche, G. Bara. « Flexible-link robot control using a linear parameter varying systems methodology » International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 11(46):1-12, March 2014

[JBW18] H. Jmal, N. Bahlouli, C. Wagner-Kocher, D. Leray, F. Ruch, J.N. Munsch, M. Nardin, « Influence of the grade on the variability of the mechanical properties of polypropylene waste », Waste Management, vol. 75, p. 160-173, 2018

[LK05] E. Laroche, D. Knittel, « An improved linear fractional model for robustness analysis of a winding system », Control Engineering Practice, Elsevier, p. 659-666, vol. 13, n° 5, 2005

[WNK96] K. Watanabe, E. Nobuyama and A. Kojima, « Recent advances in control of time delay systems - A tutorial review », Proceedings of 35th IEEE Conference on Decision and Control, Kobe, Japan, 1996, pp. 2083-2089 vol.2.

[WNZ17] Q. G. Wang, Z. Y. Nie, D. Zhang and L. Wang, « New advances in stability, estimation and control of networked systems with time delay », 2017 International Conference on Internet of Things, Embedded Systems and Communications, Gafsa, 2017, pp. 211-218.

  • Profil du candidat

Titulaire d’un Master de science ou d’un diplôme d’ingénieur, vous disposez d’une formation scientifique générale et d’une spécialisation en automatique. Votre intérêt pour les systèmes industriels et les dispositifs expérimentaux seront appréciés. Vous savez utiliser Matlab-Simulink pour la simulation et la commande de systèmes dynamiques et disposez d’un bon niveau en anglais à l’écrit et à l’oral. Vos capacités à communiquer et à collaborer, ainsi que votre sens de l’engagement, seront un gage de réussite pour le projet.

Vous enverrez votre dossier de candidature (CV, lettre de motivation, relevé des notes de master, éventuellement complété d'une lettre de recommandation) sous forme d'un fichier pdf à laroche@unistra.fr pour le 13 juillet 2018.

La thèse débutera en septembre ou octobre 2018. Vous serez amené à vous déplacer sur les deux site : chez ICube à Strasbourg et au CETIM à Mulhouse.


Continuum robot control and planning in deformable environments

PhD opportunity in the field of continuum robots. More information about the topic, scientific context and application process can be found here : File:Sujet_AVR_Rosa_2018_EN.pdf (English version) and File:Sujet_AVR_Rosa_2018.pdf (French version)

Applications are open as of now, and should be made via the procedure detailed in the links above, on or before April 15, 2018


CDD 1 an (ingénieur ou post-doc) : synthèse de lois de commande robuste pour drones de grande endurance et bas coût

  • Résumé

Intégré au sein du projet franco-allemand ELCOD dédié au développement de drones de longue portée, vous aurez en charge l'implémentation des lois de commande de vol. Cette mission de 12 mois peut convenir à un ingénieur ou à un post-doc.

  • Mots clés

conception et commande de drone, commande robuste

  • Profil recherché

Diplômé.e d’un Master en sciences ou d’une école d’ingénieur avec une spécialisation en automatique, robotique ou mécatronique ou docteur dans le même champ de compétences, vous disposez d’une expérience montrant vos capacités à vous investir dans un projet de recherche ou de développement. Vos connaissances scientifiques générales et votre maîtrise des outils mathématiques vous permettent d’assimiler de nouveaux concepts théoriques. Vous disposez d'un socle de connaissances en automatique et si possible vous êtes initié aux problématiques de robustesse. Vous êtes à l’aise avec la programmation, ce qui vous permettra d'implanter le calculateur embarqué et de développer des codes de simulation et d’analyse. Vous disposez de bonnes aptitudes de collaboration au sein d’une équipe et de bonnes capacités à communiquer en anglais. Une expérience dans la conception ou le pilotage de drones ou de modèles réduits ou encore d’autres systèmes robotiques et mécatroniques sera appréciée, ainsi que qu'une expérience antérieure d'implémentation sous Pixhawk.

  • Contexte du projet

Vous serez intégré au sein du projet franco-allemand ELCOD associant l’INSA de Strasbourg et le laboratoire ICube à la Hochschule d’Offenburg dont l'objectif principal est de développer des drones à faible coût, à grand rayon d'action et à propulsions peu polluantes, pour différent type de missions (mesures de polluants atmosphériques, monitoring, transport de charges utiles). Ce projet bénéficie d’un financement européen. Ces drones, de masse maximale 25 kg, pourront parcourir plusieurs centaines de kilomètres avec des charges embarquées variables. Deux types de motorisations seront comparées : l’une avec des moteurs brushless alimentés par des piles à combustibles ; l’autre avec un moteur thermique à carburation optimisée.

  • Description du travail

Au delà de l'objectif principal d'implantation des lois de commande sur le contrôleur embarqué Pixhawk, la mission intègre des objectifs de recherche, permettant d'aboutir à une méthodologie de synthèse de correcteurs et d’analyse de leur robustesse en tenant compte à la fois des incertitudes et des modes flexibles. La première partie du travail consistera à évaluer le comportement aérodynamique du drone en se basant sur des outils de simulations disponibles comme les projets XFOIL [XFOIL] et XFLR5 [XFLR5].

Différentes approches de commande seront ensuite envisagées par ordre de complexité. On partira des techniques classiques basées sur les correcteurs linéaires et on montrera leurs limites en termes de zone de travail. En effet, le comportement du drone dépend fortement de la vitesse, de l’altitude et de l’angle d’attaque. Des techniques de synthèse robuste permettront d’étendre cet espace de travail. On exploitera notamment les outils disponibles de synthèse de correcteurs structurés basées sur l’optimisation non-lisse [AN06].

Un axe d'approfondissement possible est l’utilisation de méthodes de commande basées sur des modèles linéaires à paramètres variants (LPV) [HLB14]. Un modèle LPV sera d’abord obtenu comme une bonne approximation du modèle non-linéaire de simulation. Des méthodes d’identification de modèle à partir de données expérimentales pourront également être mises en œuvre [VMP16]. Ces techniques seront comparées aux techniques de séquencement de gain [FTL17]. Enfin, de manière plus exploratoire, une extension aux modèles LPV des techniques de commande événementielle est envisagée, dans le but de réduire la consommation énergétique [MDG13]. Les différentes approches seront testées en simulation puis expérimentalement sur le drone prototype.

  • Encadrement

Le travail sera encadré par Renaud Kiefer, maître de conférences à l’INSA de Strasbourg et responsable du projet, par Edouard Laroche, professeur à l’Université de Strasbourg et spécialisé dans le domaine de la commande robuste et de ses applications, et par Sylvain Durand, maître de conférences à l’INSA de Strasbourg et spécialisé dans la commande événementielle. Vous aurez également des interactions avec les autres membres du projet et notamment les partenaires de Offenburg.

  • Lieu et dates

Le recrutement se fera rapidement, de préférence en septembre ou octobre 2018. Le travail se déroulera sur le campus d’Illkirch du laboratoire ICube et à l’INSA de Strasbourg localisé en centre-ville.

  • Candidature

Vous enverrez votre candidature par mail à renaud.kiefer@insa-strasbourg.fr, sylvain.durand@insa-strasbourg.fr et laroche@unistra.fr sous la forme d’un fichier pdf unique intitulé ELCOD-NOM-PRENOM.pdf qui contiendra votre CV, votre lettre de motivation et vos relevés de notes des deux dernières années. Une lettre de recommandation et une liste de personnes en mesure de vous recommander sont les bienvenus.

  • Références
    • [AN06] P. Apkarian and D. Noll, « Nonsmooth H∞ synthesis », IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 51, no. 1, p. 71-86, Jan. 2006.
    • [MDG13] N. Marchand, S. Durand, J. Guerrero-Castellanos, « A general formula for event-based stabilization of nonlinear systems », IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 58, no 5, p. 1332-1337, 2013.
    • [FTL17] S. Fleischmann, S. Theodoulis, E. Laroche, E. Wallner, J-P. Harcaut, « Controller design point selection for linearized gain scheduling », American Control Conference, Seatle (WA), United States, mai 2017
    • [HLB14] H. Halalchi, E. Laroche, G. Bara, « Flexible-Link Robot Control Using a Linear Parameter Varying Systems Methodology », International Journal of Advanced Robotic Systems, p. 1-12, Volume 11, n° 46, mars 2014
    • [SLE08] F. Santoso, M. Liu and G. Egan, "H2 and H-infinity robust autopilot synthesis for longitudinal flight of a special unmanned aerial vehicle: a comparative study," IET Control Theory & Applications, vol. 2, no. 7, pp. 583-594, July 2008.
    • [VMP16] D. Vizer, G. Mercere, O. Prot, E. Laroche, « H-infinity-norm-based optimization for the determination of gray-box LTI state-space model parameters », Systems & Control Letters, Elsevier, p. 34-41, 2016