Cette thèse est consacrée à l'étude des systèmes d'équations<br />différentielles non linéaires aux dérivées partielles. L'approche choisie est celle de l'algèbre différentielle. Étant donné un système d'équations différentielles, nous cherchons à obtenir des renseignements sur ses solutions. Pour ce faire, nous calculons une famille d'ensembles particuliers (appelés chaînes différentielles régulières) dont la réunion des solutions coïncide avec les solutions du système initial.<br /> <br />Les nouveaux résultats relèvent principalement du calcul formel. Le chapitre 2 clarifie le lien entre les chaînes régulières et les chaînes différentielles régulières. Deux nouveaux algorithmes (chapitres 4 et 5) viennent optimiser les algorithmes existants permettant de calculer ces chaînes différentielles régulières. Ces deux algorithmes intègrent des techniques purement algébriques qui permettent de mieux contrôler le grossissement des données et de supprimer des calculs inutiles. Des problèmes jusqu'à présent non résolus ont ainsi pu être traités. Un algorithme de calcul de forme normale d'un polynôme différentiel modulo une chaîne différentielle régulière est exposé dans le chapitre 2.<br /> <br />Les derniers résultats relèvent de l'analyse. Les solutions que nous considérons sont des séries formelles. Le chapitre 3 fournit des conditions suffisantes pour qu'une solution formelle soit analytique. Ce même chapitre présente un contre-exemple à une conjecture portant sur l'analycité des solutions formelles.

<p>Diffusion is a phenomenon in which particles move from regions of higher density to regions of lower density. Many physical systems, in fields as diverse as plant biology and finance, are known to involve diffusion phenomena. Typically, diffusion systems are modeled by partial differential equations (PDEs), which include certain parameters. These parameters characterize a given diffusion system. Therefore, for both modeling and simulation of a diffusion system, one has to either know or determine these parameters. Moreover, as PDEs are infinite order dynamic systems, for computational purposes one has to approximate them by a finite order model. In this thesis, we investigate these two issues of model reduction and parameter estimation by considering certain specific cases of heat diffusion systems. </p><p>We first address model reduction by considering two specific cases of heat diffusion systems. The first case is a one-dimensional heat diffusion across a homogeneous wall, and the second case is a two-dimensional heat diffusion across a homogeneous rectangular plate. In the one-dimensional case we construct finite order approximations by using some well known PDE solvers and evaluate their effectiveness in approximating the true system. We also construct certain other alternative approximations for the one-dimensional diffusion system by exploiting the different modal structures inherently present in it. For the two-dimensional heat diffusion system, we construct finite order approximations first using the standard finite difference approximation (FD) scheme, and then refine the FD approximation by using its asymptotic limit.</p><p>As for parameter estimation, we consider the same one-dimensional heat diffusion system, as in model reduction. We estimate the parameters involved, first using the standard batch estimation technique. The convergence of the estimates are investigated both numerically and theoretically. We also estimate the parameters of the one-dimensional heat diffusion system recursively, initially by adopting the standard recursive prediction error method (RPEM), and later by using two different recursive algorithms devised in the frequency domain. The convergence of the frequency domain recursive estimates is also investigated. </p>

Du fait du manque de capteurs fiables et bon marché, la problématique de la reconstruction d'état est cruciale pour les bioprocédés, particulièrement pour les (bio)réacteurs à paramètres répartis. C'est pourquoi il est essentiel d'étudier leurs propriétés d'observabilité, qui peuvent notamment dépendre des dimensions spatiales des capteurs. Dans cette thèse, on étudie tout d'abord l'observabilité d'une classe de réacteurs tubulaires à lit fixe mettant en oeuvre une seule réaction biochimique, où un substrat est dégradé suivant une cinétique non linéaire. Plus précisément, l'analyse porte sur un modèle linéarisé, consistant notamment en une Équation aux Dérivées Partielles (EDP) parabolique linéaire comportant un coefficient non uniforme (c.-à-d. dépendant de la variable spatiale). Ce modèle entre dans le cadre d'une classe particulière de systèmes : les systèmes de Sturm-Liouville. Il s'en déduit que tout nombre fini de modes dominants du système est observable par un capteur (de concentration en substrat) situé en sortie et de largeur suffisamment petite. En outre, considérant un minorant et un majorant du coefficient non uniforme, on détermine une expression numérique, fonction du nombre de modes à observer, qui minore cette largeur. La pertinence de ce résultat est confirmée par un exemple numérique : un biofiltre de dénitrification. Cette étude est étendue à un procédé-pilote de digestion anaérobie de l'INRA-Narbonne. On montre l'existence d'un état d'équilibre, autour duquel le comportement du système est modélisé par deux EDP linéaires, dont une à coefficient non uniforme. La démarche précédente est généralisée et on calcule des expressions des largeurs de deux capteurs en fonction du nombre de modes dont on veut s'assurer qu'ils sont observables. Ce résultat s'applique notamment à la conception d'un estimateur d'état.

This thesis considers the problem of making dynamic models for industrial processes by combining physical modelling with experimental data. The focus is on distributed parameter systems, that is, systems for which the model structure involves partial differential equations (PDE). Distributed parameter systems are important in many applications, e.g., in chemical process systems and in intracellular biochemical processes, and involve for instance all forms of transport and transfer phenomena. For such systems, the postulated model structure usually requires a finite dimensional approximation to enable identification and validation using experimental data. The finite dimensional approximation involves translating the PDE model into a set of ordinary differential equations, and is termed model reduction. The objective of the thesis is two-fold. First, general PDE model reduction methods which are efficient in terms of model order for a given level of accuracy are studied. The focus here is on a class of methods called moving mesh methods, in which the discretization mesh is considered a dynamic degree of freedom that can be used for reducing the model reduction error. These methods are potentially highly efficient for model reduction of PDEs, but often suffer from stability and robustness problems. In this thesis it is shown that moving mesh methods can be cast as standard feedback control problems. Existing moving mesh methods are analyzed based on tools and results available from control theory, and plausible explanations to the robustness problems and parametric sensitivity experienced with these methods are provided. Possible remedies to these problems are also proposed. A novel moving finite element method, Orthogonal Collocation on Moving Finite Elements (OCMFE), is proposed based on a simple estimate of the model reduction error combined with a low order linear feedback controller. The method is demonstrated to be robust, and hence puts only small demands on the user. In the second part of the thesis, the integration of PDE model reduction methods with grey-box modelling tools available for finite dimensional models is considered. First, it is shown that the standard approach based on performing model reduction using some ad hoc discretization method and model order, prior to calibrating and validating the reduced model, has a number of potential pitfalls and can easily lead to falsely validated PDE models. To overcome these problems, a systematic approach based on separating model reduction errors from discrepancies between postulated model structures and measurement data is proposed. The proposed approach is successfully demonstrated on a challenging chromatography process, used for separation in biochemical production, for which it is shown that data collected at the boundaries of the process can be used to clearly distinguish between two model structures commonly used for this process. / QC 20101020

In this thesis, we develop partial differential equation (PDE) based numerical methods to solve certain optimal stochastic control problems in finance. The value of a stochastic control problem is normally identical to the viscosity solution of a Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equation or an HJB variational inequality. The HJB equation corresponds to the case when the controls are bounded while the HJB variational inequality corresponds to the unbounded control case. As a result, the solution to the stochastic control problem can be computed by solving the corresponding HJB equation/variational inequality as long as the convergence to the viscosity solution is guaranteed. We develop a unified numerical scheme based on a semi-Lagrangian timestepping for solving both the bounded and unbounded stochastic control problems as well as the discrete cases where the controls are allowed only at discrete times. Our scheme has the following useful properties: it is unconditionally stable; it can be shown rigorously to converge to the viscosity solution; it can easily handle various stochastic models such as jump diffusion and regime-switching models; it avoids Policy type iterations at each mesh node at each timestep which is required by the standard implicit finite difference methods. In this thesis, we demonstrate the properties of our scheme by valuing natural gas storage facilities---a bounded stochastic control problem, and pricing variable annuities with guaranteed minimum withdrawal benefits (GMWBs)---an unbounded stochastic control problem. In particular, we use an impulse control formulation for the unbounded stochastic control problem and show that the impulse control formulation is more general than the singular control formulation previously used to price GMWB contracts.

In this thesis, we develop partial differential equation (PDE) based numerical methods to solve certain optimal stochastic control problems in finance. The value of a stochastic control problem is normally identical to the viscosity solution of a Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equation or an HJB variational inequality. The HJB equation corresponds to the case when the controls are bounded while the HJB variational inequality corresponds to the unbounded control case. As a result, the solution to the stochastic control problem can be computed by solving the corresponding HJB equation/variational inequality as long as the convergence to the viscosity solution is guaranteed. We develop a unified numerical scheme based on a semi-Lagrangian timestepping for solving both the bounded and unbounded stochastic control problems as well as the discrete cases where the controls are allowed only at discrete times. Our scheme has the following useful properties: it is unconditionally stable; it can be shown rigorously to converge to the viscosity solution; it can easily handle various stochastic models such as jump diffusion and regime-switching models; it avoids Policy type iterations at each mesh node at each timestep which is required by the standard implicit finite difference methods. In this thesis, we demonstrate the properties of our scheme by valuing natural gas storage facilities---a bounded stochastic control problem, and pricing variable annuities with guaranteed minimum withdrawal benefits (GMWBs)---an unbounded stochastic control problem. In particular, we use an impulse control formulation for the unbounded stochastic control problem and show that the impulse control formulation is more general than the singular control formulation previously used to price GMWB contracts.

La relativité générale est une théorie physique de la gravitation élaborée il y a un siècle, dans laquelle l'univers est modélisé par une variété Lorentzienne (N,gamma) de dimension 4 appelée espace-temps et vérifiant les équations d'Einstein. Lorsque l'on sépare la dimension temporelle des trois dimensions spatiales, les équations de contrainte découlent naturellement de la décomposition 3+1 des équations d'Einstein. Elles constituent une condition nécessaire et suffisante pour pouvoir considérer l'espace-temps N comme l'évolution temporelle d'une hypersurface Riemannienne (m,g) plongée dans N avec une seconde forme fondamentale K. Le triplet (m,g,K) constitue alors une donnée initiale solution des équations de contrainte dont on note C l'ensemble. Dans cette thèse, nous utilisons la méthode de Robert Bartnik pour établir la structure de sous-variété de Hilbert de C pour des données initiales faiblement asymptotiquement hyperboliques, dont la régularité peut être reliée à la conjecture de courbure L^{2} bornée. Les difficultés inhérentes au cas faiblement AH ont nécessité l'introduction de deux opérateurs différentiels d'ordre deux et l'obtention d'estimées de type Poincaré et Korn pour ces opérateurs. Une fois la structure de Hilbert obtenue, nous définissons une fonctionnelle masse lisse sur la sous-variété C et compatible avec nos conditions de faible régularité. L'invariance géométrique de la masse est étudiée et montrée, modulo une conjecture en faible régularité relative au changement de cartes au voisinage de l'infini. Enfin, nous faisons le lien entre les points critiques de la masse et les métriques statiques. / General relativity is a gravitational theory born a century ago, in which the universe is a 4-dimensional Lorentzian manifold (N,gamma) called spacetime and satisfying Einstein's field equations. When we separate the time dimension from the three spatial ones, constraint equations naturally follow on from the 3+1 décomposition of Einstein's equations. Constraint equations constitute a necessary condition,as well as sufficient, to consider the spacetime N as the time evolution of a Riemannian hypersurface (m,g) embeded into N with the second fundamental form K. (m,g,K) is then an element of C, the set of initial data solutions to the constraint equations. In this work, we use Robert Bartnik's method to provide a Hilbert submanifold structure on C for weakly asymptotically hyperbolic initial data, whose regularity can be related to the bounded L^{2} curvature conjecture. Difficulties arising from the weakly AH case led us to introduce two second order differential operators and we obtain Poincaré and Korn-type estimates for them. Once the Hilbert structure is properly described, we define a mass functional smooth on the submanifold C and compatible with our weak regularity assumptions. The geometrical invariance of the mass is studied and proven, only up to a weak regularity conjecture about coordinate changes near infinity. Finally, we make a correspondance between critical points of the mass and static metrics.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-09-06T10:34:36Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Lucas Menezes de Brito - 2018.pdf: 2914034 bytes, checksum: 600a20e123b6c9b15b12092b1a8071c8 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-09-06T10:35:12Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Lucas Menezes de Brito - 2018.pdf: 2914034 bytes, checksum: 600a20e123b6c9b15b12092b1a8071c8 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-06T10:35:12Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Lucas Menezes de Brito - 2018.pdf: 2914034 bytes, checksum: 600a20e123b6c9b15b12092b1a8071c8 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-08-10 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work we study a singular partial differential problem in a bounded domain with smoth boundary. We have two main cases, one superlinear with weak singularity, and the other one sublinear with strong songularity. We use Variational Methods, such as the Ekeland Variational Principle and the Nehari Manifolds, to solve this problem, finding weak solutions and proving the multiplicity of solutions in one of the cases. / Neste trabalho estudaremos um problema diferencial parcial singular em um domínio limitado com bordo suave. Temos dois casos principais, um superlinear com singularidade fraca e um sublinear com singularidade forte. Usaremos Métodos Variacionais, como o Princípio Variacional de Ekeland e as Variedades de Nehari, para resolver este problema, encontrando soluções fracas e provando a multiplicidade das mesmas em um dos casos.

Dans cette étude on s'intéresse à la dynamique d'une classe de systèmes non-linéaires décrits par des équations aux dérivées partielles (EDP) du type hyperbolique. L'objectif de l'étude est de construire des lois de contrôle par feedback dynamique de la sortie afin de stabiliser le système autour d'un point d'équilibre d'une part, et, d'autre part, de réguler la sortie vers le point de consigne. Nous considérons la classe des systèmes gouvernés par des EDP quasi-linéaires du type hyperbolique à deux variables indépendantes (une variable temporelle et une variable spatiale). Pour le bien-posé du système dynamique non seulement l'état initial mais aussi certaines conditions frontières doivent être prescrites en cohérence avec les EDP. Nous supposons que l'observation et le contrôle sont ponctuels. Autrement dit l'action du contrôle intervient dans le système via les conditions frontières et l'observation est effectuée aux points de la frontière. Notre étude est motivée par l'observation que de nombreux processus physiques sont modélisés par ce type d'équations EDP. Nous citons, par exemple, des processus tels que flux trafique en transport, flux de gaz dans un réseau de pipeline, échangeurs thermiques en génie des procédés, équations de télégraphe dans des lignes de transmission, canaux d'irrigation en génie civil etc. Nous commençons l'étude par une EDP non-linéaire scalaire. Dans ce cas-là nous proposons un correcteur intégral stabilisant qui assure la régulation de la sortie avec l'erreur statique nulle. Nous prouvons la stabilisation locale du système non-linéaire par le correcteur intégral en construisant une fonctionnelle de Lyapunov appropriée. La conception des correcteurs proportionnels et intégraux (PI) que nous proposons est étendue dans un cadre de systèmes de deux EDP. Nous prouvons la stabilisation du système en boucle fermée à l'aide d'une nouvelle fonctionnelle de Lyapunov. La synthèse des correcteurs PI stabilisants se poursuit dans un cadre de réseaux formés d'un nombre fini de systèmes à deux EDP : réseau étoilé et réseau série en cascade. Les contrôles et les observations se trouvent localisés aux différents nœuds de connexion. Pour ces configurations nous présentons un ensemble de correcteurs PI stabilisants qui assurent la régulation vers le point de consigne. Les correcteurs PI que nous concevons sont validés par des simulations numériques à partir des modèles non-linéaires EDP. La contribution de la thèse, par rapport à la littérature existante, consiste en l'élaboration de nouvelles fonctionnelles de Lyapunov pour une classe de systèmes stabilisés par correcteur PI. En effet une grande quantité de résultats ont été obtenus sur la stabilisation des systèmes hyperboliques par feedback statique de la sortie. Toutefois il existe encore peu de résultats sur la stabilisation de ces systèmes par feedback dynamique de la sortie. L'étude de la thèse est consacrée sur l'élaboration des fonctionnelles de Lyapunov permettant d'obtenir des correcteurs PI stabilisants. L'approche de Lyapunov direct que nous avons proposée a pour l'avantage de permettre d'étudier la robustesse des lois de feedback de la sortie PI vis-à-vis de la non-linéarité. Une autre contribution de la thèse consiste en la construction des programmes de Malab permettant d'effectuer des simulations numériques pour la validation des correcteurs conçus. Pour la résolution numérique des EDP hyperboliques nous avons discrétisé nos systèmes par le schéma numérique de Preissmann. Nous avons chaque fois un système d'équations algébriques non-linéaires à résoudre de façon récurrente. L'apport des simulations numériques nous permet de mieux comprendre la méthodologie applicative de la théorie du contrôle en dimension infinie / In this study we are interested in the dynamics of a class of nonlinear systems described by partial differential equations (PDE) of the hyperbolic type. The aim of the study is to construct control laws by dynamic feedback of the output in order to stabilize the system around an equilibrium point on the one hand and to regulate the output to the set-point. We consider the class of systems governed by hyperbolic PDEs with two independent variables (one time variable and one spatial variable). For the well-posed dynamic system not only the initial state but also certain boundary conditions must be prescribed in coherence with the PDEs. We assume that observation and control are punctual. In other words, the action of the control intervenes in the system via the boundary conditions and the observation is carried out at the points of the border. Our study is motivated by the observation that many physical processes are modeled by this type of PDE equations. Examples include processes such as traffic flow in transportation, gas flows in a pipeline network, heat exchangers in process engineering, telegraph equations in transmission lines, civil engineering irrigation channels, to cite but a few.We begin the study with a scalar nonlinear PDE. In this case we propose a stabilizing integral controller which ensures the regulation of the output with zero static error. We prove the local stabilization of the nonlinear system by the integral controller by constructing an appropriate Lyapunov functional. The design of the proportional and integral (PI) controllers that we propose is extended in a framework of two PDE systems. We prove the stabilization of the closed-loop system with a new Lyapunov functional. The synthesis of stabilizing PI controllers is carried out in a framework of networks formed by a finite number of two PDE systems: star network and serial network in cascade. Controls and observations are located at the different connection nodes. For these configurations we present a set of stabilizing PI controllers that regulate the output to the set-point. The PI controllers that we design are validated by numerical simulations from the nonlinear PDE models. The contribution of the thesis compared to the existing literature consists in the development of new Lyapunov functionals for the class of systems looped by a PI controller. Indeed, a large number of results have been obtained from the stabilization of hyperbolic systems by static feedback of the output. However, there are still few results with the stabilization of these systems by the output dynamic feedback. The study of the thesis is devoted to the development of the Lyapunov functional to obtain stabilizing PI controllers. The direct Lyapunov approach that we have proposed has the advantage of allowing to study the robustness of the output dynamic feedback laws in the form of PI controllers with respect to the nonlinearity. Another contribution of the thesis consists of the Malab program construction allowing to carry out numerical simulations for the validation of the conceived controllers. For the numerical resolution of hyperbolic PDEs, we have discretized our systems using the Preissmann numerical scheme. Each time moment we have a system of non-linear algebraic equations to be solved in a recurring way. The contribution of numerical simulations allows us to better understand the application methodology of the infinite dimension control theory

Note de l'administrateur du service :le résumé de cette thèse est disponible dans le fichier déposé par l'auteur. Il ne peut techniquement pas être placé sous cette rubrique, dans la mesure où il contient des formules mathématiques avec des caractères grecs. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished