Analyse et contrôle des équations aux dérivées partielles parabolique aide de polynômes somme des carrés avec une application sur les tokamaks

Analysis and control of parabolic partial differential equations with application to tokamaks using sum-of-squares polynomials

• Auteur / Autrice : Aditya Gahlawat
• Direction : Mazen Alamir, Emmanuel Witrant, Matthew Peet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et productique
• Date : Soutenance le 28/10/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Illinois Institute of technology
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....) - Department of Mechanical- Materials and Aerospace Engineering
• Jury : Président / Présidente : Geofferey Williamson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mazen Alamir, Emmanuel Witrant, Matthew Peet, Boris Pervan, Bassam Bamieh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antonis Papachristodoulou, Christian Ebenbauer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations différentielles paraboliques

Tokamaks

Commande H-infini

Optimisation convexe

Mots clés libres

Somme des polynômes au carré

Optimisation convexe

Programmation semi-definie

Commande H-infini

Sum of squares polynomials

Convex optimization

Semi-definite programming

H infinity control

Résumé

Dans ce travail, nous abordons les problèmes de l'analyse de la stabilité et de la synthèse de contrôleur pour une Equation aux Dérivées Partielles (EDP) parabolique linéaire de dimension 1. Ces problèmes sont résolus avec des méthodologies analogues au cadre des inégalités matricielles linéaires (LMI) pour les équations différentielles ordinaires (EDO). Nous développons une méthode pour EDP paraboliques dans laquelle nous testons la faisabilité de certaines LMIs utilisant la programmation semi-définie (SDP) pour construire des fonctions de Lyapunov quadratiques et des contrôleurs. Le cœur de notre démarche est la construction de fonctions de Lyapunov quadratiques paramétrées par les opérateurs définis positifs sur les espaces de Hilbert de dimension infinie. Contrairement aux matrices positives, il n'y a pas de méthode unique paramétrisant l'ensemble des opérateurs positifs sur un espace de Hilbert. Bien sûr, nous pouvons toujours paramétrer un sous-ensemble des opérateurs positifs en utilisant, par exemple, des scalaires positifs. Cependant, nous devons nous assurer que le paramétrage des opérateurs positifs ne doit pas être conservatif. Notre contribution est de construire une paramétrisation qui a seulement une petite quantité de conservatisme comme indiqué par nos résultats numériques. Nous utilisons des polynômes en somme des carrés (SOS) pour paramétrer l'ensemble des opérateurs positifs, linéaire et bornés sur les espaces de Hilbert. Comme son nom l'indique, un polynôme SOS est celui qui peut être représenté comme une somme de polynômes carrés. La propriété la plus importante d'un polynôme SOS est qu'il peut être représenté au moyen d'une matrice (semi-)définie positive. Cela implique que, même si le problème de polynôme (semi-)positif est NP-difficile, le problème de vérifier si polynôme est SOS (et donc (semi-)positif) peut être résolu en utilisant la SDP. Par conséquent, nous nous efforçons de construire des fonctions de Lyapunov quadratiques paramétrées par les opérateurs positifs. Ces opérateurs positifs sont à leur tour paramétrés par des polynômes SOS. Cette paramétrisation SOS nous permet de formuler le problème de faisabilité pour l'existence d'une fonction de Lyapunov quadratique comme un problème de faisabilité LMI. Le problème de la faisabilité LMI peut alors être adressé à l'aide de SDP. Dans la première partie de la thèse nous considérons analyse de stabilité et la synthèse de contrôleur aux frontières pour une large classe d'EDP paraboliques. Les EDP ont des coefficients de transport distribués spatialement. Ces EDP sont utilisés pour modéliser les processus de diffusion, de convection et de réaction de quantités physiques dans les milieux anisotropes. Nous considérons la synthèse de contrôleurs limite à la fois pour le cas de retour d'état et le cas de retour de sortie (à l'aide d'un observateur). Dans la deuxième partie de la thèse, nous concevons un contrôleur distribué pour la régulation du flux magnétique poloïdal dans un tokamak (procédé de fusion thermonucléaire par confinement magnétique). Tout d'abord, nous concevons un contrôleur régulant la pente des lignes de champ magnétique (le facteur de sécurité). La régulation du profil du facteur de sécurité est importante pour supprimer les instabilités MHD dans un tokamak. Ensuite, nous concevons un contrôleur maximisant la densité de courant bootstrap généré en interne. Une proportion accrue du courant bootstrap conduirait à une réduction des besoins énergétiques exogènes pour l'exploitation d'un tokamak.

In this work we address the problems of stability analysis and controller synthesis for one dimensional linear parabolic Partial Differential Equations (PDEs). To achieve the tasks of stability analysis and controller synthesis we develop methodologies akin to the Linear Matrix Inequality (LMI) framework for Ordinary Differential Equations (ODEs). We develop a method for parabolic PDEs wherein we test the feasibility of certain LMIs using SDP to construct quadratic Lyapunov functions and controllers. The core of our approach is the construction of quadratic Lyapunov functions parametrized by positive definite operators on infinite dimensional Hilbert spaces. Unlike positive matrices, there is no single method of parametrizing the set of all positive operators on a Hilbert space. Of course, we can always parametrize a subset of positive operators, using, for example, positive scalars. However, we must ensure that the parametrization of positive operators should not be conservative. Our contribution is constructing a parametrization which has only a small amount of conservatism as indicated by our numerical results. We use Sum-of-Squares (SOS) polynomials to parametrize the set of positive, linear and bounded operators on Hilbert spaces. As the name indicates, an SOS polynomial is one which can be represented as a sum of squared polynomials. The most important property of an SOS polynomial is that it can be represented using a positive (semi)-definite matrix. This implies that even though the problem of polynomial (semi)-positivity is NP-hard, the problem of checking if polynomial is SOS (and hence (semi)-positive) can be solved using SDP. Therefore, we aim to construct quadratic Lyapunov functions parametrized by positive operators. These positive operators are in turn parametrized by SOS polynomials. This parametrization using SOS allows us to cast the feasibility problem for the existence of a quadratic Lyapunov function as the feasibility problem of LMIs. The feasibility problem of LMIs can then be addressed using SDP. In the first part of the thesis we consider stability analysis and boundary controller synthesis for a large class of parabolic PDEs. The PDEs have spatially distributed coefficients. Such PDEs are used to model processes of diffusion, convection and reaction of physical quantities in anisotropic media. We consider boundary controller synthesis for both the state feedback case and the output feedback case (using and observer design). IN the second part of thesis we design distributed controllers for the regulation of poloidal magnetic flux in a tokamak (a thermonuclear fusion devise). First, we design the controllers to regulate the magnetic field line pitch (the safety factor). The regulation of the safety factor profile is important to suppress the magnetohydrodynamic instabilities in a tokamak. Then, we design controllers to maximize the internally generated bootstrap current density. An increased proportion of bootstrap current would lead to a reduction in the external energy requirements for the operation of a tokamak.