Rozprawy doktorskie na temat „Systèmes avec retards”

Les méthodologies de l'automatique ont joué au cours des dernières décennies un ´r^ole essentiel au sein de nombreux secteurs technologiques avancées. Cependant, de nombreuse questions restent ouvertes. Parmi celles-ci, celles concernant la stabilité et la stabilisation de systèmes non linéaires sont d'intérêt primordial. Afin de stabilizer un système (physique ou non), il est nécessaire de capter et interpreter en temps réel les informations hétérogènes caractérisant son fonctionnement afin intervenir efficacement. Actuellement ces informations ne sont pas captées en temps continu, mais de façon synchrone ou asynchrone et ceci est valable aussi pour les actuateurs. De façon très naturelle, on définit donc un système hybride, caractérisé par des dynamiques à la fois discrètes et continues. Dans ce contexte, cette thèse est orientée au développement de nouvelles méthodologies pour la stabilisation de systèmes échantillonnés non linéaires en se focalisant sur la stabilisation de formes cascades qui se retrouvent dans de nombreuse situations concretes. Pour cela, on étudiera l'effet de l'échantillonnage sur les propriétés de la dynamique continue et l'on proposera des méthodologies pour la conception de lois de commande qui ne requièrent pas d'assumptions supplémentaires au cas continu.Enfin, on étudiera l'effet de l'échantillonnage sur des systèmes présentant de retards sur les entrées. On développera des lois de commande stabilisantes exploitant la structure en cascade induite par l'échantillonnage. Des exemples académiques illustreront les calcules des solutions et leur performances tout au long du manuscript
Over the last decades the methodologies of dynamical systems and control theory have been playing an increasingly relevant role in a lot of situations of practical interest. Though, a lot of theoretical problem still remain unsolved. Among all, the ones concerning stability and stabilization are of paramount importance. In order to stabilize a physical (or not) system, it is necessary to acquire and interpret heterogeneous information on its behavior in order to correctly intervene on it. In general, those information are not available through a continuous flow but are provided in a synchronous or asynchronous way. This issue has to be unavoidably taken into account for the design of the control action. In a very natural way, all those heterogeneities define an hybrid system characterized by both continuous and discrete dynamics. This thesis is contextualized in this framework and aimed at proposing new methodologies for the stabilization of sampled-data nonlinear systems with focus toward the stabilization of cascade dynamics. In doing so, we shall propose a small number of tools for constructing sampled-data feedback laws stabilizing the origin of sampled-data nonlinear systems admitting cascade interconnection representations. To this end, we shall investigate on the effect of sampling on the properties of the continuous-time system while enhancing design procedures requiring no extra assumptions over the sampled-data equivalent model.Finally, we shall show the way sampling positively affects nonlinear retarded dynamics affected by a fixed and known time-delay over the input signal by enforcing on the implicit cascade representation the sampling process induces onto the retarded system. Academic examples will illustrate the computational aspects together with their performances throughout the whole manuscript

Dans cette thèse, on propose le développement d'une technique de synchronisation pour systèmes mécaniques avec des retards dans le canal de communications. On considère que les retards sont relativement grands mais bornés. On effectue la synthèse de nouveaux schémas de synchronisation avec retards dans la transmission de données, les solutions qui sont obtenues sont causales, sans l'utilisation de prédicteurs, en utilisant la structure des systèmes et en appliquant la théorie de stabilisation pour systèmes linéaires avec retards. On effectue l'étude du problème de synchronisation de deux dispositifs mécaniques distants (l’un à Nantes, France ; l'autre à Ensenada, Mexique), interconnectés par un réseau. Le système mécanique considéré est sous actionné et consiste en un pendule inverse lié à une barre transversale par une union prismatique. Les résultats de cette thèse sont une contribution aux travaux de synchronisation et de rejet de perturbations qui est nouvelle par rapport à la littérature
In this thesis, the development of a synchronization technique is investigated, for dynamic systems with delays in the communication channel. It is assumed that the delays may be large but bounded. The study of the problem of synchronization of two distant mechanical devices (one being in Nantes, France; the other in Ensenada, Mexico), interconnected through a network. The mechanical system is underactuated and consists in an inverted pendulum linked to a transversal beam through a prismatic joint. The contributions of this thesis generalize the available synchronization results in the current literature

Cette thèse étudie le problème d'identification de la topologie d'un réseau de systèmes complexes dynamiques, dont les sous-systèmes sont décrits par des équations différentielles ordinaires (EDO) et/ou par des équations différentielles à retard (EDR). La première partie de ce travail porte sur l’identification des paramètres du réseau de systèmes linéaires. Ainsi, différentes classes de systèmes linéaires ont été traitées, à savoir les systèmes sans retard, les systèmes à retard commensurable et les systèmes à entrées inconnues. Un observateur impulsif est proposé afin d'identifier à la fois les états et les paramètres inconnus de la classe de système dynamique considérée en temps fini. Afin de garantir l'existence de l'observateur impulsif proposé, des conditions suffisantes sont déduites. Des exemples illustratifs sont donnés afin de montrer l'efficacité de l'observateur en temps fini proposé.La deuxième partie de ce travail traite le problème de l'identification de la topologie d'un réseau de systèmes dynamiques non linéaires. Dans nos considérations, les coefficients interconnexions de la topologie du réseau sont considérés comme des paramètres constants. Par conséquent, l'identification de la topologie est équivalente à l'identification des paramètres inconnus. Tout d’abord, nous avons déduit des conditions suffisantes sur l’identifiabilité des paramètres, puis nous avons proposé un différenciateur uniforme avec convergence en temps fini pour estimer les paramètres inconnus
This thesis investigates the topology identification problem for network of dynamical complex systems, whose subsystems are described by ordinary differential equations (ODE) and/or delay differential equations (DDE). The first part of this work focuses on the parameters identification of the network of linear systems. Thus, different classes of linear systems have been treated namely systems without delay, systems with commensurable delay and systems with unknown inputs. An impulsive observer is proposed in order to identify both the states and the unknown parameters of the considered class of dynamic system in finite time. In order to guarantee the existence of the proposed impulsive observer, sufficient conditions are deduced. An illustrative example is given in order to show the efficiency of the proposed finite-time observer.The second part of this work treats the topology identification of the network of nonlinear dynamic systems. In our considerations, the topology connections are represented as constant parameters, therefore the topology identification is equivalent to identify the unknown parameters. A sufficient condition on parameter identifiability is firstly deduced, and then a uniform differentiator with finite-time convergence is proposed to estimate the unknown parameters

Dans cette thèse, on traite deux problèmes de stabilisation de systèmes linéaires par des feedbacks statiques, retardés et saturée: La stabilisation asymptotique globale et la stabilisation avec gain fini. L'espace des états du système commandé est de dimension fini et le temps est continu ou discret. Pour le premier problème, sous les conditions nécessaires standard, on fournit deux solutions avec une borne d'amplitude arbitrairement petite sur la commande et pour tout retard. La première solution est de type saturation emboîtée, ce qui généralise tes résultats de [MMN1], [MMN2], [SSY] et [YSS]. La seconde, de type "prédicteur-correcteur", utilise l'existence d'un feedback stabilisant pour le système sans retard. Pour la stabilisation avec gain fini, le système est supposé stable. On donne des feedbacks linéaires qui assurent la stabilité pour tout retard et toute borne d'amplitude assez petite de la commande. Les gains correspondants sont indépendants du retard [dollar]h>0,[dollar] pour tout [dollar]p \in [1. \infty]. [dollar] Dans cette thèse, le point de départ de tous les démonstrations est de traiter l'effet du retard comme une nouvelle perturbation du système sans retard. Cette perturbation est alors traitée par les techniques de Lyapunov ou par l'analyse de trajectoires
In this thesis, we study two problems on stabilization of linear systems by static feedbacks which are bounded and time-delayed, namely global asymptotic stabilization and finite-gain stabilizability. Both continuous-time and discrete-time systems are considered. Regarding the problem of global asymptotic stabilization we provide, under standard necessary conditions, two different solutions for arbitrary small bound on the control and large (constant) delay. The first solution uses nested saturations, in the line of [MMN1], [MMN2], [SSY] and [YSS]. The second solution, a sort of "predictor-corrector", assumes the knowledge of a static stabilizing feedback law in the zero-delay case. For the finite-gain stabilizability issue, we assume that the system is neutrally stable. We show the existence of a linear feedback such that, for arbitrary small bound on the control and large (constant) delay, finite-gain stability holds. Moreover, the corresponding gains are delay-independent for all [dollar]p \in [1,\infty]. [dollar] Generally speaking, our treatment of the aforementioned issues on time-delay systems follows a common pattern. We always try to reformulate them as problems for perturbed delay-free systems and handle the perturbation by Lyapunov techniques or by a careful trajectory analysis. That strategy works well because the input saturation makes the perturbation uniformly bounded with respect to the delay

Nous étudions dans cette thèse le problème de stabilisation de systèmes physiques par l'intermédiaire d'un réseau de communication induisant des retards de dynamique connue. Ce problème apparaît lorsque la loi de commande est mise en ouvre à distance et conduit au problème de la stabilisation d'un système instable en boucle ouverte avec un retard variant dans le temps. Nous utilisons un prédicteur d'état à horizon variable afin d'établir une loi de commande stabilisante qui place les pôles du système en boucle fermée. Le calcul de l'horizon de prédiction est détaillé afin d'établir un contrôleur qui utilise de manière explicite les dynamiques du retard et est robuste vis-à-vis d'erreurs d'estimation induites par le modèle de réseau utilisé.
Cette analyse de robustesse permet de prendre en compte les caractéristiques non déterministes du réseau. Nous proposons finalement une loi de commande basée sur un observateur pour le cas où seule la sortie est mesurable et considérons aussi le
cas de poursuite de trajectoire. Des simulations et résultats expérimentaux sont proposés.

Le processus de développement des systèmes avioniques suit des réglementations de sûreté de fonctionnement très strictes, incluant l'analyse du déterminisme et de la prédictibilité temporelle des systèmes. L'approche est basée sur la séparation des étapes de conception et d'implémentation. Une des plus grandes difficultés dans l'approche actuelle se trouve dans la détermination du WCET, qui est nécessaire pour prouver la satisfaction des contraintes de temps-réel dur du système. Dans cette thèse, une méthodologie de relâchement de contraintes temps-réels pour les systèmes de commandes digital est proposé. L'objectif est de réduire le conservatisme des approches traditionnelles basés sur le pire temps d'exécution, tout en préservant la stabilité et les performances de commandes. L'approche a été appliqué au système de commande de tangage d'un avion, ce qui a permi de montrer que le relâchement des contraintes temps réels améliore l'utilisation de la puissance de calcul disponible tout en préservant la stabilité et la qualité de commande du système.

Ce mémoire a pour objet la modélisation et la commande d'un moteur à allumage commandé. Le premier chapitre propose alors un état de l'art sur la modélisation, l'estimation et la commande dans ces derniers. Le second chapitre s'intéresse à la commande de l'admission d'air. Deux commandes y sont développées : la première est basée sur une commande linéarisante et la seconde fait appel aux outils de la commande basée sur les modèles flous de type Takagi-Sugeno. Parmi les modèles considérés, certains sont non linéaires et présentent des incertitudes de modélisation, et d'autres sont à retards variables. Le troisième chapitre présente alors un certain nombre de développements théoriques concernant deux classes de modèles flous : ceux à retards variables sur l'état, et ceux avec incertitudes. Des conditions de stabilisation sans et avec un observateur d'état sont également données. Le quatrième chapitre traite alors de la commande et de l'observation par retour d'état basées sur des modèles flous de type Takagi-Sugeno et/ou par modes glissants, et de leur validation sur le modèle développé. Une régulation de richesse, une commande robuste du couple moteur moyen, un observateur à entrées inconnues du couple instantané, et des essais de commande globale sont présentés.

Toute perturbation dans les systèmes linéaires peut gravement dégrader la performance des méthodes itératives lorsque les directions conjuguées sont constituées. Ce problème peut être partiellement résolu par les méthodes du gradient à retards, qui ne garantissent pas la descente de la fonction quadratique, mais peuvent améliorer la convergence par rapport aux méthodes traditionnelles. Les travaux ultérieurs se sont concentrés sur les méthodes du gradient alternées avec deux ou plusieurs types de pas afin d'interrompre le zigzag. Des papiers récents ont suggéré que la révélation d'information de second ordre avec des pas à retards pourrait réduire de manière asymptotique les espaces de recherche dans des dimensions de plus en plus petites. Ceci a conduit aux méthodes du gradient avec alignement dans lesquelles l'étape essentielle et l'étape auxiliaire sont effectuées en alternance. Des expériences numériques ont démontré leur efficacité. Cette thèse considère d'abord des méthodes du gradient efficaces pour résoudre les systèmes linéaires symétriques définis positifs. Nous commençons par étudier une méthode alternée avec la propriété de terminaison finie à deux dimensions. Ensuite, nous déduisons davantage de propriétés spectrales pour les méthodes du gradient traditionnelles. Ces propriétés nous permettent d’élargir la famille de méthodes du gradient avec alignement et d’établir la convergence de nouvelles méthodes. Nous traitons également les itérations de gradient comme un processus peu coûteux intégré aux méthodes de splitting. En particulier, nous abordons le problème de l’estimation de paramètre et suggérons d’utiliser les méthodes du gradient rapide comme solveurs internes à faible précision. Dans le cas parallèle, nous nous concentrons sur les formulations avec retards pour lesquelles il est possible de réduire les coûts de communication. Nous présentons également de nouvelles propriétés et méthodes pour les itérations de gradient s-dimensionnelles. En résumé, cette thèse s'intéresse aux trois sujets interreliés dans lesquelles les itérations de gradient peuvent être utilisées en tant que solveurs efficaces, qu’outils intégrés pour les méthodes de splitting et que solveurs parallèles pour réduire la communication. Des exemples numériques sont présentés à la fin de chaque sujet pour appuyer nos résultats théoriques
Any perturbation in linear systems may severely degrade the performance of iterative methods when conjugate directions are constructed. This issue can be partially remedied by lagged gradient methods, which does not guarantee descent in the quadratic function but can improve the convergence compared with traditional gradient methods. Later work focused on alternate gradient methods with two or more steplengths in order to break the zigzag pattern. Recent papers suggested that revealing of second-order information along with lagged steps could reduce asymptotically the search spaces in smaller and smaller dimensions. This led to gradient methods with alignment in which essential and auxiliary steps are conducted alternately. Numerical experiments have demonstrated their effectiveness. This dissertation first considers efficient gradient methods for solving symmetric positive definite linear systems. We begin by studying an alternate method with two-dimensional finite termination property. Then we derive more spectral properties for traditional steplengths. These properties allow us to expand the family of gradient methods with alignment and establish the convergence of new methods. We also treat gradient iterations as an inexpensive process embedded in splitting methods. In particular we address the parameter estimation problem and suggest to use fast gradient methods as low-precision inner solvers. For the parallel case we focus on the lagged formulations for which it is possible to reduce communication costs. We also present some new properties and methods for s-dimensional gradient iterations. To sum up, this dissertation is concerned with three inter-related topics in which gradient iterations can be employed as efficient solvers, as embedded tools for splitting methods and as parallel solvers for reducing communication. Numerical examples are presented at the end of each topic to support our theoretical findings

L'assistance de direction aide le conducteur à manoeuvrer son véhicule en diminuant le couple exercé sur le volant. Dans le cas de la « direction assistée électrique » et du « steer-by-wire », le système d'assistance est composé de moteurs électriques placés au niveau de la crémaillère (pour déplacer les roues) et au niveau du volant (pour fournir au conducteur un retour des forces agissant sur les roues). Cependant, ces architectures introduisent des retards dans les boucles de rétroaction du système. Pour assurer la stabilité en présence de retards, on peut réduire le gain d'assistance ou augmenter l'amortissement du volant, mais cela a un impact négatif sur les performances du système et détériore le retour d'effort renvoyé au conducteur. Afin de surmonter cette limitation, nous concevons et analysons des lois de commande pour les systèmes de direction qui augmentent (par rapport aux stratégies actuelles) la marge de retard du système. Nous utilisons une approche fréquentielle pour analyser les contraintes imposées par la stabilité du système de rétroaction générant le couple volant. Nos algorithmes s'appuient sur des architectures de commande proportionnelles-dérivées classiques, comprenant des lois d'assistance et des filtres. La simplicité des méthodes proposées permet un calcul analytique de la marge de retard. De plus, pour rendre nos résultats plus généraux (par exemple, pour des lois d'assistance non linéaires), nous développons des techniques dans le domaine temporel pour analyser la stabilité des systèmes linéaires à retards en utilisant des fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii. Nous formulons une méthode basée sur des projections permettant à des ensembles généraux de fonctions de paramétrer les fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii. Nous discutons des principales hypothèses considérées dans notre formulation et établissons des connexions entre les approches existantes pour l'analyse de la stabilité des systèmes à retard basées sur la programmation semi-définie, à savoir la méthode basée sur l'utilisation d'inégalités intégrales et la méthode basée sur la programmation par somme de carrés. Enfin, les résultats obtenus sont également appliqués au cas test des systèmes de direction
Steering assistance helps the driver to maneuver the vehicle by reducing the steering effort. In the case of electric power steering and steer-by-wire, the assistance system is composed of electrical drives placed at the rack pinion (allowing the wheels to move) and at the steering wheel (providing the driver a feeling of the forces acting on the wheels). These architectures introduce, however, delays in the feedback loops of the system. To ensure its stability in the presence of delays, one can reduce the assist gain or increase the damping of the steering wheel, but this negatively impacts the system's performance and degrades the force feedback returned to the driver. In order to counter this limitation, we design and analyze control laws for steering systems that increase (compared to current strategies) the delay margin of the system. We use a frequency-domain approach to analyze the constraints imposed by the stability of the feedback system generating the steering wheel torque. Our algorithms rely on classical proportional-derivative control architectures, including torque maps and filters. The simplicity of the proposed methods allows an analytical computation of the delay margin. In addition, to make our results more general (for example, for nonlinear torque maps), we develop time-domain techniques to analyze the stability of linear time-delay systems using Lyapunov-Krasovskii functionals. We formulate a projection-based method allowing general sets of functions to parameterize Lyapunov-Krasovskii functionals. We discuss the main assumptions considered in our formulation and establish connections between the existing approaches for the stability analysis of time-delay systems based on semidefinite programming, namely the method based on the use of integral inequalities and the method based on sum-of-squares programming. Finally, the obtained results are also applied to the test case of steering systems

La localisation de sources (en champ lointain ou en champ proche) et l'estimation des temps de retard ont de nombreuses applications pratiques. Pour localiser une source en champ lointain à partir d'un réseau de capteur, seule la direction d'arrivée (DDA) de la source est nécessaire. Quand les sources se situent dans une situation de champ proche, le front d'onde du signal est sphérique et deux paramètres sont nécessaires pour localiser les sources : la direction d'arrivée et la distance entre la source et le réseau de capteurs. Dans cette thèse, on se focalise sur la localisation de sources (en champ lointain et en champ proche) ainsi sur l'estimation des temps de retard dans le contexte où les signaux sont cohérents, mélangés et avec un faible nombre de réalisation. Tout d'abord, nous proposons de combiner la théorie de la méthode SVR (Support vector regression qui est une méthode de régression à base d'apprentissage supervisée) avec la théorie de la prédiction linéaire avant-arrière. La méthode proposée, appelée FBLP-SVR, est développée pour deux applications : la localisation de sources en champ lointain et l'estimation des temps de retard des échos radar en champ lointain. La méthode développée est évaluée par des simulations et des expérimentations. Nous proposons également une méthode de localisation de sources en champ proche dans le contexte où les signaux sont cohérents et mélangés. La méthode proposée est basée sur une technique de focalisation, de moyennage en sous-bande et sur une méthode à sous-espaces pour l'estimation des DDAs. Ensuite, les distances entre les sources et le réseau de capteur sont estimées avec la méthode du maximum de vraisemblance
Source localization (in far-field or in nearfield) and time-delay estimation have many practical applications. To locate a far-field source from a sensor array, only the direction of arrival (DOA) of the source is necessary. When the sources are in a nearfield situation, the wavefront of the signal is spherical and two parameters are needed to locate the sources: the direction of arrival and the distance between the source and the sensors. In this thesis, we focus on the localization of sources (both in far-field and nearfield) as well as the estimation of time-delay in the context where the signals are coherent, overlapped and with a small number of snapshots. First, we propose to combine the theory of the SVR method (support vector regression, which is a supervised learning-based regression method) with the theory of forward-backward linear prediction (FBLP). The proposed method, called FBLP-SVR, is developed for two applications: far-field source localization and time-delay estimation by using ground penetrating radar. The proposed method is evaluated by simulations and experiments. We also propose a near-field source localization method in the context where the signals are coherent and overlapped. The proposed method is based on a focusing technique, a spatial smoothing preprocessing, and a subspace method in the estimation of DOA. Then, the distances between the sources and sensors are estimated with the maximum likelihood method

Ce travail présente de nouveaux résultats sur l'estimation d'état par intervalle pour des systèmes distribués incertains, qui sont des systèmes de dimension infinie : leur état, fonctionnel, est régi par des équations aux dérivées partielles (EDP) ou fonctionnelles (EDF). Le principe de l'observation par intervalle est d’estimer à chaque instant un ensemble de valeurs admissibles pour l'état (un intervalle), de manière cohérente avec la sortie mesurée. Les chapitres 2 et 3 se concentrent sur la conception d'observateurs par intervalle pour une EDP parabolique avec des conditions aux limites de type Dirichlet. Dans le chapitre 2, on utilise une approximation en dimension finie (éléments finis de type Galerkin), l'intervalle d’inclusion tenant compte des erreurs de l'approximation. Le chapitre 3 présente un observateur par intervalle sous la forme d'EDP sans projection de Galerkin. Dans ces deux chapitres, les estimations par intervalle obtenues sont utilisées pour concevoir un contrôleur stabilisant par retour de sortie dynamique. Le chapitre 4 envisage le cas des systèmes différentiels fonctionnels (EDF) à retards, à travers une équation différentielle de deuxième ordre avec incertitudes. La méthode proposée contient deux observateurs par intervalle consécutifs : le premier calcule à chaque instant l'intervalle pour la position non retardée grâce à de nouvelles conditions de positivité dépendantes du retard. Le deuxième observateur calcule un intervalle pour la vitesse, grâce à une estimation de dérivée. Tous les résultats obtenus sont vérifiés par des simulations numériques. En particulier, le chapitre 2 inclut des expériences sur le modèle Black – Scholes
This work presents new results on interval state estimation for uncertain distributed systems, the state of which has an infinite dimension and is described by partial (PDEs) or (FDEs) functional differential equations. An interval observer evaluates at each time instant a set of admissible values for the state (an interval), consistently with the measured output. The design is based on the positive systems theory. Chapters 2 and 3 focus on an interval observer design for a parabolic PDE with Dirichlet boundary conditions. The method in Chapter 2 is based on a finite-element Galerkin approximation, the interval inclusion of the state is calculated using the error estimates of the approximation. Chapter 3 presents an interval observer in the form of PDEs without Galerkin projection. In both chapters, the obtained interval estimates are applied to the design of a dynamic output feedback stabilizing controller. Chapter 4 deals with a second-order delay differential equation with uncertainties corresponding, for instance, to a mechanical system with delayed position measurements, which has form of an FDE. The proposed method contains two consecutive interval observers. The first one estimates, at each instant of time, the interval for the delay-free position using new delay-dependent conditions on positivity. Then, derived estimates of the position are used to design the second observer providing an interval for the velocity. All the obtained results are supported by numerical simulations. In particular, Chapter 2 includes experiments on the Black–Scholes model

Les résultats présentés dans cette thèse s’articulent autour de la synthèse d’observateurs de type grand gain pour des classes de systèmes non linéaires. Une classe de systèmes multi-entrées/multi-sorties non uniformément observables a tout d’abord été considérée et un observateur dont le gain est issu de la résolution d’une équation différentielle ordinaire de Lyapunov a été proposé. La convergence exponentielle de l’erreur d’observation sous-jacente a été établie sous une condition d’excitation persistante bien appropriée. La synthèse de l’observateur proposé a été ensuite reconsidérée pour prendre en compte l’échantillonnage et la présence de retard sur la sortie. L’observateur résultant de la resynthèse a une structure en cascade avec des systèmes en chaîne où le premier système de la cascade estime l’état retardé tandis que l’état du dernier système est une estimation de l’état instantané du système. La deuxième classe de systèmes considérée dans cette thèse est une forme normale observable multi-sorties comportant des incertitudes et dont la sortie est échantillonnée et retardée. Un observateur en cascade a été proposé pour l’estimation de l’état instantané du système. Les performances des différents observateurs proposés ont été illustrées à travers plusieurs exemples en simulation tout au long de de la thèse
The results given in this thesis deal with the design of high gain observers forsome classes on nonlinear systems. A class of multi-inputs/multi-output non uniformlyobservable systems has been first considered and an observer the gain of which is issuedfrom the resolution of a Lyapunov ordinary differential equation has been proposed. Theexponential convergence of the underlying observation error has been established underan appropriate persistent excitation condition. The design of the proposed observerhas then been reconsidered in order to account for the sampling and delay processeswhich may occur on the output. The redesigned observer assumes a cascade structurewith chained systems where the head of the cascade is an observer for the delayedstate while the state of the last system in the cascade constitutes an estimation ofthe system actual state. The second class of systems considered in this thesis is amulti-outputs observable normal form involving some uncertainties and with a delayedsampled output. A cascade observer allowing the estimation of the system actual statehas been proposed. The performance and main properties of the proposed observershave been illustrated in simulation by considering many examples throughout thisthesis

Nous considérons dans la première partie de cette thèse des problèmes de contrôle optimal lorsque l'état est dirigée par une équation différentielle stochastique à retard et à sauts. Nous montrons que les théorèmes classiques de contrôle tels que l'équation d'Hamilton-Jacobi-Bellman ou le principe du maximum s'étendent à notre modèle et qu'ils permettent l'obtention de résultats explicites. Nous étudions également l'existence et l'unicité d'une solution de viscosité pour l'équation d'Hamilton-Jacobi-Bellman. La deuxième partie est composée de deux travaux indépendants ayant pour thème l'étude du comportement optimal des agents pour des modèles économique et financier bien spécifiques. Le premier travail résout le problème de consommation et investissement d'un initié par le biais des intégrales forward, le deuxième analyse un modèle à générations imbriquées en temps continu. La troisième partie de cette thèse est dédiée au calcul de sensibilité d'options et plus particulièrement au calcul de l'indicateur nommé Theta. Nous donnons une expression explicite de cet indicateur pour les options européennes et digitales et présentons des simulations numériques
We consider, in the first part, optimal control problems when the state is driven by a stochastic differential equation with delay and jumps. We show that standard optimal control theorems as the Hamilton-Jacobi-Bellman equation or the maximum principle can be extended in our setting and that they give explicit solutions. We also study existence and uniqueness of viscosity solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation. The second part of this thesis is composed of two independent works related by the study of the optimal behavior of agents in specific economic and financial frameworks. The first work solves a consumption and investment problem for an insider by means of forward integrals, the second one analyses an overlapping generations model in continuous time. The third part of this thesis is devoted to sensitivity analysis. More precisely we compute the indicator named Theta. We obtain an explicit form of this indicator for european and digital options and give some numerical simulations

Dans de nombreux scénarios de communication sans fil multiutilisateurs, une bonne rétroaction est un ingrédient essentiel qui facilite l'amélioration des performances. Bien qu'étant utile, une rétroaction parfaite reste difficile et fastidieuse à obtenir. En considérant ce défi comme point de départ, le principal objet de cette thèse s'applique à adresser la question simple et pourtant insaisissable et fondamentale suivante: "Quel niveau de qualité de la rétroaction doit-on rechercher, et à quel moment faut-il effectuer un envoi pour atteindre une certaine performance en degrés de liberté (DoF)". La présente étude réussit à décrire de manière concise les régions DoF dans un cadre très général, correspondant à un processus général de rétroaction qui, à tout moment, peut ou non fournir des informations sur l'état du canal au niveau de l'émetteur (CSIT) - d'une qualité arbitraire - pour toute réalisation passée, actuelle ou future du canal. Sous des hypothèses standard , et en supposant par ailleurs que l'on dispose d'un CSIT suffisamment bien retardé, l'effet de la qualité du CSIT offert à tout moment, pour presque tout type de canaux est étudié de manière précise. Ceci est réalisé dans le cadre MISO-BC à deux utilisateurs, puis est directement étendu aux cas des MIMO-BC et MIMO-IC. En outre différents aspects de communication avec rétroaction limitée sont considérés, ainsi que l'aspect CSI global au niveau des récepteurs, et l'aspect diversité. En plus de fournir des limites théoriques et des nouveaux encodeurs et décodeurs, l'étude s'applique à obtenir une meilleure comprehension sur plusieurs questions pratiques d'intérêt capital dans le domaine
In many multiuser wireless communications scenarios, good feedback is a crucial ingredient that facilitates improved performance. While being useful, perfect feedback is also hard and time-consuming to obtain. With this challenge as a starting point, the main work of thesis seeks to address the simple yet elusive and fundamental question of ``HOW MUCH QUALITY of feedback, AND WHEN, must one send to achieve a certain degrees-of-freedom (DoF) performance''. The work manages to concisely describe the DoF region in a very broad setting corresponding to a general feedback process that, at any point in time, may or may not provide channel state information at the transmitter (CSIT) - of some arbitrary quality - for any past, current or future channel (fading) realization. Under standard assumptions, and under the assumption of sufficiently good delayed CSIT, the work concisely captures the effect of the quality of CSIT offered at any time, about any channel. This was achieved for the two user MISO-BC, and was then immediately extended to the MIMO BC and MIMO IC settings. Further work also considers different aspects of communicating with limited feedback, such as the aspect of global CSI at receivers, and the aspect of diversity. In addition to the theoretical limits and novel encoders and decoders, the work applies towards gaining insights on many practical questions

Dans de nombreux scénarios de communication sans fil multiutilisateurs, une bonne rétroaction est un ingrédient essentiel qui facilite l'amélioration des performances. Bien qu'étant utile, une rétroaction parfaite reste difficile et fastidieuse à obtenir. En considérant ce défi comme point de départ, le principal objet de cette thèse s'applique à adresser la question simple et pourtant insaisissable et fondamentale suivante: "Quel niveau de qualité de la rétroaction doit-on rechercher, et à quel moment faut-il effectuer un envoi pour atteindre une certaine performance en degrés de liberté (DoF)". La présente étude réussit à décrire de manière concise les régions DoF dans un cadre très général, correspondant à un processus général de rétroaction qui, à tout moment, peut ou non fournir des informations sur l'état du canal au niveau de l'émetteur (CSIT) - d'une qualité arbitraire - pour toute réalisation passée, actuelle ou future du canal. Sous des hypothèses standard , et en supposant par ailleurs que l'on dispose d'un CSIT suffisamment bien retardé, l'effet de la qualité du CSIT offert à tout moment, pour presque tout type de canaux est étudié de manière précise. Ceci est réalisé dans le cadre MISO-BC à deux utilisateurs, puis est directement étendu aux cas des MIMO-BC et MIMO-IC. En outre différents aspects de communication avec rétroaction limitée sont considérés, ainsi que l'aspect CSI global au niveau des récepteurs, et l'aspect diversité. En plus de fournir des limites théoriques et des nouveaux encodeurs et décodeurs, l'étude s'applique à obtenir une meilleure comprehension sur plusieurs questions pratiques d'intérêt capital dans le domaine
In many multiuser wireless communications scenarios, good feedback is a crucial ingredient that facilitates improved performance. While being useful, perfect feedback is also hard and time-consuming to obtain. With this challenge as a starting point, the main work of thesis seeks to address the simple yet elusive and fundamental question of ``HOW MUCH QUALITY of feedback, AND WHEN, must one send to achieve a certain degrees-of-freedom (DoF) performance''. The work manages to concisely describe the DoF region in a very broad setting corresponding to a general feedback process that, at any point in time, may or may not provide channel state information at the transmitter (CSIT) - of some arbitrary quality - for any past, current or future channel (fading) realization. Under standard assumptions, and under the assumption of sufficiently good delayed CSIT, the work concisely captures the effect of the quality of CSIT offered at any time, about any channel. This was achieved for the two user MISO-BC, and was then immediately extended to the MIMO BC and MIMO IC settings. Further work also considers different aspects of communicating with limited feedback, such as the aspect of global CSI at receivers, and the aspect of diversity. In addition to the theoretical limits and novel encoders and decoders, the work applies towards gaining insights on many practical questions

Cette thèse explore, sous certains paramètres réalistes, l’une des techniques clés pour les réseaux sans fil de demain, i.e., la réduction des interférences permis par la voie de retour (feedback). Nous nous concentrons sur la voie de retour du type d’état, également connu sous le nom de CSIT retardé, qui aide les récepteurs à profiter des observations indésirables par créer des dimensions de signaux supplémentaires. Afin de vérifier l’utilité de la CSIT retardé dans des situations sévères, nous l’étudions avec SNR fini et / ou avec la hétérogénéité de la voie de retour dans une configuration de communication de diffusion, qui est largement utilisé pour modéliser la transmission de liaison descendante dans les systèmes cellulaires. Tout au long de la thèse, nous utilisons des outils de théorie information, par exemple, le codage lossy distribué, bloc Markov codage, la technique de compression (Wyner-Ziv), etc.Dans la première partie de cette thèse, nous sommes surtout intéressés par la performance de CSIT retardée avec SNR fini et l’uniformité à travers les résultats dans le canal Gaussien et dans le canal d’effacement. Plusieurs schémas relativement simples sont proposés pour des canaux de diffusion multiutilisateur (sans mémoire) dans le cas où les états sont supposés être entièrement connus à la destination, mais causalement à l’émetteur. Lors de l’analyse des régions correspondantes les cas Gaussien/ d’effacement, nous avons caractérisé des améliorations en termes de débits symétriques plus élevés et plus d’options de l’alphabet d’entré.Dans la deuxième partie de cette thèse, les algorithmes adaptés aux hétérogénéités différentes de la voie de retour sont ciblés, c’est-à-dire, seulement une partie des nœuds de communication sont impliqués dans le processus de feedback. En particulier, nous nous concentrons sur le canal de 1) diffusion supporté par les voies de retour des récepteurs partiels, 2) diffusion avec relais et voie de retour au relais. Étant donné que (tous /partiel) états retardés sont accessibles à des émetteurs (tous/partiels), les approches proposées, bien qu’ils emploient les méthodes de codages visant à réduire les interférences à tous les récepteurs, doivent soit donner la priorité aux utilisateurs qui fournissent les états et compter sur un gain de codage opportuniste pour les autres, soit forcer chaque source à prendre la responsabilité partielle de transmission. Les améliorations sur les débits réalisables sont justifiées dans des cas avec analyse et quelques exemples. Les résultats et les évaluations de cette thèse, qui donnent quelques indications sur comment le retour d’état peut être exploité dans la transmission de liaison descendante, montrent qu’une bonne performance de débit pourrait être atteinte avec le CSIT retardé même lorsque la puissance de transmission est limitée et lorsque le retour d’état est disponible de façon hétérogène
This dissertation explores one of the key techniques for future wireless networks, namely feedback enabled interference mitigation, under some realistic settings. We focus on the state-type feedback, also known as delayed CSIT, which helps leverage receivers’ overheard observations to create extra signal dimensions. In order to verify the usefulness of delayed CSIT in harsh situations, we investigate it with finite SNR and/or feedback heterogeneity in a broadcast communication setup, which is widely utilized to model downlink transmission in cellular systems. Throughout the thesis, we use some information theoretical tools, e.g., distributed lossy source coding, block Markov coding, Wyner-Ziv compression technique, e.t.c.In the first part of this dissertation, we are mainly interested in the finite SNR performance of delayed CSIT and the uniformity across the results in the Gaussian broadcast channel and in the erasure channel. Several relatively simple schemes are proposed in multi-user memoryless broadcast channels when states are assumed to be fully known at the destinations but only strictly causally at the transmitter. Enhancements in terms of higher symmetric rates and more input alphabet options are then characterized when analyzing the corresponding regions in Gaussian/erasure cases.In the second part of this dissertation, algorithms adapted to distinct feedback heterogeneities are targeted as only part of the communication nodes are involved in the feedback process. In particular, we concentrate on 1) broadcast channel with feedback from part of all receivers; and 2) broadcast relay channel with feedback at the relay. Given that (partial) delayed states are accessible at (partial) transmitters, the proposed approaches, though employ coding methods aiming at mitigating interference at all receivers, have to either give priority to the users who feedback and rely on opportunistic coding gain for the others or force each source to take limited responsibility in the transmission. Improvements on achievable rates are justified in either cases with analysis and some examples.The results and their evaluations in this thesis, which give some insights on how to exploit the state feedback in downlink transmission, show that good rate performance can be achieved with delayed CSIT even when transmission power is limited and when the state feedback is heterogeneous

Un contrôle moteur conventionnel se compose de deux niveaux de commande dénommés strates " groupe motopropulseur " et " moteur ". Historiquement, la conception de ce dispositif s'est organisée autour d'une logique organique, focalisée sur la composition matérielle de la chaîne de production de couple. Ceci explique que les moyens de développement soient, aujourd'hui encore, découplés et spécifiques à chaque type de motorisation, diesel ou essence. L'heure est désormais à la recherche d'une approche davantage fonctionnelle, et de chaînes de développement aussi génériques et mutualisées (en diesel, essence, voire hybride) que possibles, dans l'objectif de réduire les temps et coûts de développement. En effet, le besoin fonctionnel de la strate GMP est indépendant de l'architecture moteur, et, vue du GMP, la strate moteur n'est autre qu'un générateur de couple aux amplitudes et dynamiques diverses. Cette structuration ouvre la possibilité de traiter les spécificités Essence et Diesel au travers d'une gestion appropriée des dynamiques, dans le sens GMP vers moteur, et de la prise en compte de fonctions de contrainte transversales dans le sens moteur vers GMP. Dans ce contexte et à cette fin, cette thèse inventorie et explore différentes possibilités offertes par la théorie de la commande : commande hiérarchisée, commande optimale, commande prédictive, commande avec anticipation. In fine, la thèse met à disposition du projet une architecture de commande (articulation commande prédite / commande anticipée à l'interface des deux strates), et des outils pour son développement. Elle donne également quelques éléments permettant de jauger son intérêt et faisabilité de mise en œuvre.

L'optimisation convexe sur des contraintes inégalités matricielles affines (plus connues sous le sigle LMI) apparaît dans de nombreux problèmes d'Automatique. Dans cette thèse, on propose une méthodologie générale de mise de problèmes d'Automatique sous forme de problèmes d'optimisation. Inscrite dans l'approche entrée/sortie, elle repose sur la modélisation de systèmes comme des interconnexions de sous systèmes, sur la caractérisation des signaux entrée/sortie de ces derniers par des inégalités quadratiques et sur l'obtention de critères de stabilité et de performance par application d'arguments du type séparation des graphes et S procédure. Cette méthodologie est mise en oeuvre pour démontrer des théorèmes qui unifient et étendent des résultats d'analyse et de commande des systèmes. Parmi les nouveaux résultats, on peut citer la commande par séquencement de gains (qui a motivé cette thèse), la commande décentralisée, la commande avec saturation et la commande ``quadratique'' de systèmes non linéaires rationnels, etc... L'analyse de la robustesse est étendue à des classes d'incertitudes plus importantes. Une description plus fine est proposée et de nouveaux objectifs de performance sont aisément traités en caractérisant le comportement entrée/sortie du système incertain par des inégalités quadratiques. Cela permet d'aborder des problèmes comme l'analyse hiérarchisée de systèmes incertains de grande dimension. L'extension aux systèmes non linéaires, non stationnaires est ensuite considérée avec des critères pour des paramètres incertains non stationnaires (vitesse bornée, bornée en moyenne). Enfin, certains outils sont appliqués à un problème de pilotage de missile. On montre que la robustesse et la performance sont obtenues lorsque le missile, décrit par un modèle non linéaire, est bouclé par un correcteur proportionnel intégral. Un correcteur obtenu par la méthode de séquencement de gains permet d'améliorer les performances de la commande.

Le but de cette thèse est de présenter de nouveaux résultats sur l'analyse et la synthèse de systèmes à retard. Dans la première partie, nous étendons l'utilisation du système invariant d'ordre fini, appelé "système de comparaison", à la conception d'un contrôleur qui dépend non seulement de la sortie à l'heure actuelle et du délai maximum, mais également d'un nombre arbitraire de valeurs entre celles-ci. Cette approche nous permet d'augmenter le délai maximal stable sans exiger d'informations supplémentaires. Les méthodes présentées ici concernent la conception de systèmes de contrôle avec des retards en utilisant des routines numériques classiques basées sur la théorie Hoo. La deuxième partie de ce travail traite d'une nouvelle approche pour développer une enveloppe englobant tous les pôles d'un système à retard. Grâce aux LMIs, nous sommes en mesure de déterminer les enveloppes pour les systèmes à retard du type retardé et du type neutre. Les enveloppes proposées sont non seulement plus étroites que celles de la littérature, mais, avec notre procédure, elles peuvent également être appliquées pour vérifier la stabilité du système et pour projeter contrôleurs de retour d'état qui répondent aux exigences de conception relatives à alpha-stabilité et sont robustes face aux incertitudes paramétriques. Les systèmes fractionnaires sont également discutés dans les deux chapitres mentionnés ci-dessus. La troisième et dernière partie étudie les systèmes stochastiques avec des retards. Nous discutons d'abord des systèmes à temps continu soumis à des sauts de Markov. Nous définissons la stabilité et obtenons des LMIs pour le contrôle par retour d'état de telle sorte que la relation entre les taux de transition entre les modes soit affine, ce qui permet donc de traiter le cas dans lequel les taux sont incertains. Nous discutons ensuite des systèmes positifs avec retards, tant pour le cas continu que pour le cas discret. Des systèmes équivalents sont obtenus et la stabilité dépendante du retard est abordée. De nombreux exemples sont illustrés tout au long de la thèse
The aim of this dissertation is to present new results on analysis and control design of time-delay systems. On the first part, we extend the use of a finite order LTI system, called 'comparison system', to design a controller which depends not only on the output at the present time and maximum delay, but also on an arbitrary number of values between those. This approach allows us to increase the maximum stable delay without requiring any additional information. The methods presented here consider time-delay systems control design with classical numeric routines based on Hoo theory. The second part of this work deals with a new approach to develop an envelope that engulfs all poles of a time-delay system. Through LMIs, we are able to determine envelopes for retarded and neutral time-delay systems. The envelopes proposed are not only tighter than the ones in the literature but, with our procedure, they can also be applied to verify the stability of the system and design state-feedback controllers which cope with design requirements regarding alpha-stability and are robust in face of parametric uncertainties. Fractional systems are also discussed for both chapters mentioned above. The third and last part studies stochastic time-delay systems.First we discuss continuous-time systems that are subjected to Markov jumps. We define stability and obtain LMIs for the state-feedback control in such a way that the relation with the transition rates between the modes is affine, allowing, therefore, to treat the case in which the rates are uncertain. We then discuss positive systems with delays, both for the continuous case as for the discrete case. Equivalent systems are obtained and delay dependent stability is addressed. A fair amount of examples are presented throughout the dissertation

Cette thèse s’insère dans le cadre général de l’étude de la dynamique des populations. La population prise en compte étant constituée de cellules souches normales et/ou cancéreuses. Nous proposons et analysons trois modèles mathématiques décrivant la dynamique de cellules souches. Le premier modèle proposé est un modèle d’équations aux dérivées partielles structurées en âge que nous transformons, via la méthode des caractéristiques, en un système d'équations différentielles à retard pour lequel on étudie l'existence et la stabilité des points d'équilibres. On effectue, après, des simulations numériques permettant d'illustrer le comportement des états d'équilibres. Dans le deuxième modèle, on considère que la durée du cycle cellulaire dépend de la population totale de cellules quiescentes. La méthode des caractéristiques nous permet de réduire notre modèle structuré en âge à un système d'équations différentielles avec un retard dépendant de l'état pour lequel on effectue une analyse détaillée de la stabilité. Nous confirmons, ensuite, les résultas analytiquement obtenus par des simulations numériques. Pour le troisième et dernier modèle de cette thèse, on propose un système d'équations différentielles ordinaires décrivant la dynamique de cellules souches saines et cancéreuses et prenant en compte leurs interactions avec les réponses immunitaires. Ce modèle nous a permis de souligner l'ampleur de l'impact que peuvent avoir différentes infections sur la prolifération tumoral que ce soit par le biais de leurs fréquences, leurs durées ou la façon dont ils agissent sur le système immunitaire
This thesis fits into the general framework of the study of population dynamics. The population particularly considered in this work is comprised of stem cells with both cases of healthy and cancerous cells being investigated. We propose and analyze three mathematical models describing stem cells dynamics. The first model is an age-structured partial differential model that we reduce to a delay differential system using the characteristics method. We investigate the existence and stability of the steady states of the reduced delay differential system. We, then, conduct some numerical simulations to illustrate the behavior of the steady states. In the second model, the duration of the cell cycle is considered to depend upon the total population of quiescent cells. The method of characteristics reduces the age-structured model to a system of differentialequations with a state-dependent delay. We perform a detailed stability analysis of the resulting delay differential system. We confirm the analytical results by numerical simulations. The third and final model, proposed in this thesis, is an ordinary differential equations model describing healthy and cancerous stem cells dynamics and their interactions with immune system responses. Through this model, we show that the frequency, the duration of infections and their action (positive or negative) on immune responses may impact significantly tumor proliferation

Ce travail porte sur la modélisation physique des tubes acoustiques pour la simulation numérique en temps-réel. Le but principal est la synthèse sonore d'instruments à vent, avec un modèle réaliste, une méthode modulaire et une implémentation numérique faible coût. Le modèle acoustique de "Webster-Lokshin", utilisé ici, est un modèle à 1 dimension prenant en compte à la fois la "courbure" du profil et les "pertes visco-thermiques" à la paroi. Pour ce modèle acoustique, une structure de simulation compatible avec l'approche des "Guides d'Ondes" est obtenue : un tube y est représenté par un système bouclé, avec retards, faisant intervenir plusieurs sous-systèmes sans retard interne. Une difficulté est la présence de sous-systèmes de dimension infinie qui se comportent comme des sommes infinies de systèmes du premier ou du second ordre. Dans un premier temps, ils sont approximés par des systèmes de dimension finie, puis leur "représentation d'état" à temps discret est obtenue. Enfin, en utilisant des outils standard de l'automatique, ces représentations nous permettent de faciliter la connexion d'éléments acoustiques et de réduire les coûts de calcul de la simulation numérique. Dans ce travail, l'étude de la stabilité et de la passivité est faite. Pour des cas paticuliers de tubes, un problème survient : même si les relations entrées/sorties du tube sont stables, certains sous-systèmes internes possèdent une infinité de singularités à l'origine d'instabilités internes. Nous présentons une explication de ce phénomène et ceci nous amène à proposer une nouvelle décomposition en sous-systèmes pour lever ce problème.