Contrôle robuste d'EDPs linéaires hyperboliques par méthodes de backstepping

par Jean Auriol

Thèse de doctorat en Mathématique et automatique

Sous la direction de Nicolas Petit et de Florent Di Meglio.

Soutenue le 04-07-2018

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur , en partenariat avec Centre automatique et systèmes (Fontainebleau, Seine et Marne) (laboratoire) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (Etablissement de préparation de la thèse) .

Le président du jury était Yann Le Gorrec.

Le jury était composé de Nicolas Petit, Florent Di Meglio, Kirsten A. Morris, Silviu-Iulian Niculescu.

Les rapporteurs étaient Rafael Vàzquez, Alexey Pavlol.


  • Résumé

    Les systèmes d'Equations aux Dérivées Partielles Hyperboliques Linéaires du Premier Ordre (EDPs HLPO) permettent de modéliser de nombreux systèmes de lois de conservation. Ils apparaissent, par exemple, lors de la modélisation de problèmes de trafic routier, d'échangeurs de chaleurs, ou de problèmes multiphasiques. Différentes approches ont été proposées pour stabiliser ou observer de tels systèmes. Parmi elles, la méthode de backstepping consiste à transformer le système originel en un système découplé pour lequel la synthèse de la loi de commande est plus simple. Les contrôleur obtenus par cette méthode sont explicites.Dans la première partie de cette thèse, nous présentons des résultats généraux de théorie des systèmes. Plus précisément, nous résolvons les problèmes de stabilisation en temps fini pour une classe générale d'EDPs HLPO. Le temps de convergence minimal atteignable dépend du nombre d'actionneurs disponibles. Les observateurs associés à ces contrôleurs (nécessaires pour envisager une utilisation industrielle de tels contrôleurs) sont obtenus via une approche duale. Un des avantages importants de l'approche considérée dans cette thèse est de montrer que l'espace généré par les solutions de l'EDPs HLPO considérée est isomorphe à l'espace généré par les solutions d'une système neutre à retards distribués.Dans la seconde partie de cette thèse, nous montrons la nécessité d'un changement de stratégie pour résoudre les problèmes de contrôle robuste. Ces questions surviennent nécessairement lorsque sont considérées des applications industrielles pour lesquelles les différents paramètres du système peuvent être mal connus, pour lesquelles des dynamiques peuvent avoir été négligées, de même que des retards agissant sur la commande ou sur la mesure, ou encore pour lesquels les mesures sont bruitées. Nous proposons ainsi quelques modifications sur les lois de commande précédemment développées en y incorporant plusieurs degrés de liberté permettant d'effectuer un compromis entre performance et robustesse. L'analyse de stabilité et de robustesse sous-jacente est rendue possible en utilisant l'isomorphisme précédemment introduit.

  • Titre traduit

    Robust design of backstepping controllers for systems of linearhyperbolic PDEs


  • Résumé

    Linear First-Order Hyperbolic Partial Differential Equations (LFOH PDEs) represent systems of conservation and balance law and are predominant in modeling of traffic flow, heat exchanger, open channel flow or multiphase flow. Different control approaches have been tackled for the stabilization or observation of such systems. Among them, the backstepping method consists to map the original system to a simpler system for which the control design is easier. The resulting controllers are explicit.In the first part of this thesis, we develop some general results in control theory. More precisely, we solve the problem of finite-time stabilization of a general class of LFOH PDEs using the backstepping methodology. The minimum stabilization time reachable may change depending on the number of available actuators. The corresponding boundary observers (crucial to envision industrial applications) are obtained through a dual approach. An important by-product of the proposed approach is to derive an explicit mapping from the space generated by the solutions of the considered LFOH PDEs to the space generated by the solutions of a general class of neutral systems with distributed delays. This mapping opens new prospects in terms of stability analysis for LFOH PDEs, extending the stability analysis methods developed for neutral systems.In the second part of the thesis, we prove the necessity of a change of strategy for robust control while considering industrial applications, for which the major limitation is known to be the robustness of the resulting control law to uncertainties in the parameters, delays in the loop, neglected dynamics or disturbances and noise acting on the system. In some situations, one may have to renounce to finite-time stabilization to ensure the existence of robustness margins. We propose some adjustments in the previously designed control laws by means of several degrees of freedom enabling trade-offs between performance and robustness. The robustness analysis is fulfilled using the explicit mapping between LFOH PDEs and neutral systems previously introduced.


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