Jumeaux numériques de confiance pour les transitions énergétique et aéronautique — Commande robuste et garanties formelles, de la conception à l'exploitation.

La transition écologique impose aux systèmes physiques d'être plus sobres en énergie, tandis que la transition numérique les rend de plus en plus automatisés. Une éolienne doit extraire le maximum d'énergie d'un vent très variable tout en maîtrisant les charges mécaniques, la fatigue et la sécurité ; en aéronautique, réduire la consommation et les émissions suppose une commande plus fine et davantage d'autonomie, sous de fortes contraintes de sécurité. Dans les deux cas, les ingénieurs souhaitent faire fonctionner les systèmes au plus près de leur optimum sans perdre les garanties qui assurent leur sûreté. Les jumeaux numériques — des modèles maintenus en correspondance avec un système physique tout au long de sa vie — sont un outil naturel pour cela, mais servent aujourd'hui surtout à la simulation et à l'optimisation. Il manque en général un lien rigoureux entre ce que prédit le modèle et le comportement réel du système, une fois pris en compte erreurs de modélisation, perturbations, variations de paramètres, vieillissement et effets d'implémentation logicielle. Cette thèse développe des jumeaux numériques de confiance qui portent des garanties mathématiques, de la conception à l'exploitation. Elle combine trois briques matures mais rarement intégrées : la commande robuste et les contraintes quadratiques intégrales (IQC) pour raisonner sur l'effet des incertitudes ; la vérification formelle (ensembles invariants, analyse d'atteignabilité, certificats de Lyapunov et Sum-of-Squares, preuves au niveau du code) pour transformer les arguments de la théorie de la commande en certificats vérifiables ; et le jumeau numérique comme infrastructure portant ces certificats le long du cycle de vie conception → vérification → implémentation → exploitation. Quatre objectifs structurent le travail : (O1) construire des jumeaux numériques conscients de l'incertitude ; (O2) produire des certificats robustes de stabilité, de performance et de respect des contraintes exploitables par des outils de vérification ; (O3) calculer des enveloppes opérationnelles certifiées (ensembles invariants et atteignables des boucles fermées incertaines) de façon aussi automatique que possible ; (O4) utiliser les mesures d'exploitation pour vérifier la validité des hypothèses d'un certificat et mettre à jour l'enveloppe certifiée — une « enveloppe de sécurité vivante ». La méthodologie, indépendante du domaine, est démontrée sur deux applications complémentaires : les systèmes éoliens (cas d'étude principal, transition écologique) et les systèmes aéronautiques (test de transférabilité, autonomie sûre et sobre en énergie), ces derniers sur un banc hélicoptère Quanser 3 DDL disponible à l'ENAC et à l'AUB. Le projet s'appuie sur une collaboration établie entre l'ENAC (P.-L. Garoche : méthodes formelles, atteignabilité, certification) et l'AUB (D. Abou Jaoude : commande robuste, IQC, systèmes éoliens), qui ont déjà co-signé deux articles sur les ensembles invariants sous IQC, sans financement commun ; BEST serait leur premier projet financé conjointement. La thèse, de 36 mois, est préparée à Toulouse avec un séjour d'environ deux mois par an à l'AUB. Résultats attendus : une méthodologie reliant commande robuste et vérification formelle au sein des jumeaux numériques ; des enveloppes de fonctionnement sûres certifiées obtenues à partir de descriptions d'incertitude ; une méthode de validation et de mise à jour des certificats en exploitation ; un prototype logiciel ouvert reliant conception, analyse robuste, certification et supervision. Enjeu sociétal : des systèmes plus efficaces (fonctionnement au plus près de l'optimum) et plus sûrs (marges quantifiées). École doctorale : SYSTEMES Direction : Pierre-Loïc GAROCHE Financement : MSCA COFUND BEST