L'inquiétude croissante concernant le futur des ressources énergétique a fait de l'optimisation énergétique une priorité dans tous les secteurs. De nombreux sujets de recherche se sont focalisés sur celui du bâtiment étant le principal consommateur d'énergie, en particulier à cause de ses besoins en chauffage. Beaucoup de propositions pour réduire la consommations ont été faites. Ceux-ci vont de l'amélioration de l'isolation au changement du système de gestion du thermostat en passant par la formation des occupants à une meilleure gestion de leur bâtiment. Cette thèse propose une nouvelle méthode de contrôle qui permet de minimiser la consommation énergétique et dépenses budgétaires. La méthode génère un planning énergétique sur une période de temps pré-définie, ceci en prenant compte du confort thermique des occupants. Elle est basée sur l'application de la méthode de Monte Carlo, un générateur aléatoire appliqué au système de chauffage. L'objectif est de déterminer le planning de chauffage optimal, qui respecte les trois contraintes suivantes: - Le confort thermique des résidents; - La minimisation de l'énergie consommée / du budget; - Le déplacement de la charge. De plus, pour tester cette méthode, l'identification du comportement thermique du bâtiment a été requise. De ce fait, un modèle thermique du bâtiment a été développé. Ce modèle a été volontairement simplifié afin de l'intégrer plus simplement dans le processus de contrôle. De plus, une nouvelle approche d'identification thermique du bâtiment aussi bien qu'une nouvelle méthode de contrôle en temps réel ont été présentées. / With the highly developing concerns about the future of energy resources, the optimization of energy consumption becomes a must in all sectors. A lot of research was dedicated to buildings regarding that they constitute the highest energy consuming sector mainly because of their heating needs. Many proposals of new strategies to minimize building consumption were done. These proposals vary between recommending better insulation, advising change in occupants' behavior and changing the heating control management. This thesis proposes a new control method that helps minimizing the heating consumption and expenses. This method generates an energy plan over a defined prediction horizon respecting the occupants’ thermal comfort. It is based on the application of Monte Carlo method, i.e., a random generator for the heating system scenarios. The aim is to determine the optimal heating plan for the prediction horizon that fulfills the constraints regarding the following three factors: • The thermal comfort of occupants; • The minimization of the energy consumption/expenses; • Load shifting. However, to test this method, an identification of the building thermal behavior was needed. Thus, a building thermal model to simulate the building behavior was developed. This model was meant to be simplified in order to better integrate it in the control process. Furthermore, a new parameter estimation approach as well as a real time temperature control method are presented to ensure the implementation of the optimal predicted plan.

Le travail porte sur le volet chauffage urbain. Il a pour but de construire un système d’information sur le réseau de chauffage en intégrant l’ensemble du patrimoine lié au réseau de chauffage dans un SIG (Système d’information Géographique) et d’analyser les consommations de chauffage. Ceci constitue la première phase de transformation du réseau de chauffage en un réseau intelligent.Le travail comporte 4 parties. La première comporte une synthèse bibliographique des travaux réalisés sur le développement urbain, les consommations d’énergie, la technologie de chauffage urbain et sa place dans la consommation d’énergie. La seconde partie présente la Cité Scientifique, qui sert de support pour le démonstrateur SunRise en mettant l’accent sur le réseau de chauffage (production, transport de chaleur, stations d’échange, réseau secondaire), et les lieux de consommation, à savoir les bâtiments (surfaces chauffées, performances énergétiques, regroupement dans des secteurs géographiques ou opérationnels). Les informations sur le réseau de chauffage ont été intégrées dans un Système d’Information Géographique (SIG). Dans la 3ème partie, on analyse les consommations annuelles des différents bâtiments en les confrontant avec les « DPE » des bâtiments. Cette partie permet d’avoir une idée précise des consommations de chauffage de différents bâtiments. La dernière partie comporte une analyse détaillée de la consommation de chauffage du bâtiment M1. / The thesis is part of the SunRise project "Demonstrator of the Smart and Sustainable City", which aim to turn the Campus of the University Lille1 in a demonstrator of the Smart and Sustainable city. The study focuses on the district-heating component. It aims at (i) building an information system on the heating network by the integration of all the information concerning the heating in a Geographic Information System (ii) analyzing the heating consumption. This is the first phase of the construction, of the Smart Heating network. The work involves four parts. The first includes a literature review of works conducted on urban development, energy consumption, district heating technology and its place in the energy consumption. The second part presents the Campus of the University Lille1, which serves as support for the demonstrator SunRise with a particular focus on the heating system (production, transport, heat exchange stations, secondary network), and buildings (heated surfaces, energy efficiency, clustering in geographic or operational areas). Information on the heating system has been integrated into a Geographic Information System (GIS). The 3rd part presents the annual consumption of the campus buildings together with a comparison them with their "DPE" (Diagnostic de Performance énergétique). This chapter provides a good understanding of the heating consumption of different buildings of the Campus. The last part presents a detailed analysis of the heat consumption of the building M1. The analysis is performed at different scales: monthly, daily and hourly.

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Η διπλωματική εργασία αναπτύσσει έναν προσαρμοστικό έλεγχο για την παρακολούθηση προπορευόμενου οχήματος από το ακόλουθο όχημα στην "κατεύθυνση του μήκους" και κάνει την προσομοίωση σε περιβάλλον Matlab. / This essay devolops with adaptive control a model of automatic vehicle following so that a following vehicle can follow a leading vehicle in the longitudinal direction. And simulates the model with Matlab.

Dans un grand nombre d'applications modernes, on est amené à estimer l'état initial (ou final) d'un système infini-dimensionnel (typiquement un système gouverné par une Équation aux Dérivées Partielles (EDP) d'évolution) à partir de la connaissance partielle du système sur un intervalle de temps limité. Un champ d'applications dans lequel apparaît fréquemment ce type de problème d'identification est celui de la médecine. Ainsi, la détection de tumeurs par tomographie thermo-acoustique peut se ramener à des problèmes de reconstruction de données initiales. D'autres méthodes nécessitent l'identification d'un terme source, qui, sous certaines hypothèses, peut également se réécrire sous la forme d'un problème de reconstruction de données initiales. On s'intéresse dans cette thèse à la reconstruction de la donnée initiale d'un système d'évolution, en travaillant autant que possible sur le système infini-dimensionnel, à l'aide du nouvel algorithme développé par Ramdani, Tucsnak et Weiss (Automatica 2010). Nous abordons en particulier l'analyse numérique de l'algorithme dans le cadre des équations de Schrödinger et des ondes avec observation interne. Nous étudions les espaces fonctionnels adéquats pour son utilisation dans les équations de Maxwell, avec observations interne et frontière. Enfin, nous tentons d'étendre le cadre d'application de cet algorithme lorsque le système initial est perturbé ou que le problème inverse n'est plus bien posé, avec application à la tomographie thermo-acoustique / In a large class of modern applications, we have to estimate the initial (or final) state of an infinite-dimensional system (typically a system governed by a Partial Differential Equation) from its partial measurement over some finite time interval. This kind of identification problems arises in medical imaging. For instance, the detection of sick cells (tumor) by thermoacoustic tomography can be viewed as an initial data reconstruction problem. Some other methods need the identification of a source term, which can be rewritten, under some assumptions, under the form of an initial data reconstruction problem. In this thesis, we are dealing with the reconstruction of the initial state of a system of evolution, working as much as possible on the infinite-dimensional system, using the new algorithm developed by Ramdani, Tucsnak and Weiss (Automatica 2010). We perform in particular the numerical analysis of the algorithm in the case of Schrödinger and wave equations, with internal observation. We study the suitable functional spaces for its use in Maxwell?s equations, with internal and boundary observation. In the last chapter, we try to extend the framework of this algorithm when the initial system is perturbed or when the inverse problem is ill-posed, with application to thermoacoustic tomography

Cette thèse est divisée en deux parties, le fil directeur étant la contrôlabilité en temps optimal.Dans la première partie, après un rappel du principe du maximum de Pontryagin dans le cas des systèmes de dimension finie, nous mettrons en oeuvre ce principe sur le cas d'un intégrateur non-holonome connu sous le nom de système de Brockett pour lequel nous imposons des contraintes sur l'état. La difficulté de cette étude provient du fait que l'on considère un problème de contrôle avec des contraintes sur l'état. Après cet exemple, nous nous intéressons à une extension du principe du maximum de Pontryagin au cas des systèmes de dimension infinie. Plus précisément, l'extension que nous considérons s'applique au cas de systèmes exactement contrôlables en tout temps. Typiquement, ce résultat s'applique à l'équation de Schrödinger avec contrôle interne. Pour de tels systèmes, sous une condition de contrôlabilité approchée, depuis un ensemble de temps non négligeable, nous montrons l'existence d'un contrôle bang-bang. Dans la seconde partie, nous étudions le problème de la nage à bas nombre de Reynolds. Une modélisation physique convenable nous permet de le formaliser comme un problème de contrôle. Nous obtenons alors un résultat de contrôlabilité sur ce problème. Plus précisément, nous montrons que quelque soit la forme du nageur, celui-ci peut se déformer légèrement pour suivre une trajectoire imposée. Nous étudions ensuite le cas d'un nageur à symétrie axiale. Les résultats de la première partie permettent alors la recherche d'un contrôle en temps optimal / This thesis is divided in two parts. The main tool of this work is time optimal control. We first consider the Pontryagin maximum principle for control system of finite dimension. After that, we give an application of this principle for the Brockett integrator with state constraints. Then, we study an extension of the Pontryagin maximum principle in the case of infinite dimensional systems. More precisely, this extension concerns the case of exactly controllable systems in any time. For instance, this can be the Schrödinger equation with internal control. Especially under some condition of approximate controllability, we can show the existence of a bang-bang control defined on a time set of positive measure. In the second part, we study the problem of swimming at low Reynolds number. A convenient physical model allows us to formulate it under the form of a control problem. We then get a controllability result on this problem. More precisely, we will show that whatever the shape of the swimmer is, the swimmer can slightly modify its shape in order to steer any prescribed trajectory. To complete this part, we consider the case of an axi-symmetric swimmer. The results of the first part allow us to find an optimal time control

Dans cette thèse, la conception d’observateurs pour les systèmes singuliers linéaires incertains et leurs applications au contrôle et au diagnostic. En effet, nous avons développé des méthodes de reconstruction d’état et d’estimation de défauts est étudié. Les systèmes algèbro-différentiels ou systèmes singuliers peuvent être considérés comme une généralisation des systèmes dynamiques. Ils constituent un puissant outil de modélisation dans la mesure où ils peuvent décrire des processus régis à la fois par des équations différentielles (dynamiques) et des équations algébriques (statiques). La nouvelle structure d’observateurs utilisée dans cette thèse est nommée l’Observateur Dynamique Généralisé (ODG), elle est plus générale que celle d’Observateurs Proportionnels (OP) et d’Observateurs Proportionnels Intégrals (OPI). Cette structure présente une estimation d’état alternative qui peut être considérée comme plus générale que les OP et les OPI, ceux-ci pouvant être considérés comme des cas particuliers de cette structure. L’approche proposée repose sur la paramétrisation des solutions des équations de Sylvester pour éliminer le biais entre l’erreur d’observation et la paire (entrée état). La thèse est organisée comme suit : Dans l’introduction générale, nous présentons la problématique et les objectifs de la thèse ainsi que les principales contributions. Dans le premier chapitre, nous présentons la classe des systèmes singuliers considérée. Nous faisons des rappels sur l’analyse de stabilité et l’utilisation des outils numériques LMI avec lesquels nous vérifions l’existence de conditions de stabilité. Ensuite, nous présentons les méthodes de reconstruction d’état des systèmes singuliers linéaires à savoir l’ODG, l’OP et l’OPI. Dans le deuxième chapitre, nous présentons en détail la procédure de synthèse d’ODG pour les systèmes singuliers continus avec et sans perturbations. Ensuite, nous faisons une extension aux systèmes singuliers en temps discret avec et sans perturbations. Dans le chapitre 3, nous donnons les conditions d’existence et de stabilité robuste de l’ODG pour les systèmes singuliers à paramètres incertains, où l’incertitude est bornée. Dans le chapitre 4, nous présentons une méthode de synthèse de commande stabilisante par retour d’état basée observateur pour une classe de systèmes singuliers linéaires avec et sans perturbations. Le chapitre 5, est consacré au diagnostic. L’étude que nous avons menée est traitée en deux étapes : La première étape est consacrée à la détection et l’isolation des défauts en utilisant un ODG. Cet observateur génère des résidus qui sont en mesure de représenter seulement la présence d’un défaut, de sorte que nous pouvons localiser des défauts multiples. Enfin, la deuxième étape est consacrée à l’estimation des défauts en utilisant un ODG avec une structure modifiée. Ces approches sont développées pour les systèmes singuliers et pour les systèmes singuliers incertains avec ou sans perturbations. Nous terminerons ce mémoire de thèse par une conclusion générale et quelques perspectives. / In this thesis the observer design for uncertain linear descriptor systems and their applications to control and fault diagnosis is studied. Descriptor systems can be considered as a generalization of dynamical systems. This class of systems include algebraic and differential equations. The observer used in this work has a new structure more general than those presented in the literature. The observer structure proposed has additional degrees of freedom, which provides it robustness in face to variations not considered in the model. The new observer structure used in this thesis, named as generalized dynamic observer (GDO), is designed for different classes of descriptor systems. The asymptotic stability of the observer is proved by Lyapunov analysis through a set of linear matrix inequalities (LMIs). In all cases, the LMI obtained from the Lyapunov analysis is treated by the elimination lemma. The use of the elimination lemma is essential in the development of the stability analysis of the observers, since it allows to obtain the GDO structure. Proportional observers (PO) and proportional-integral observers (PIO) can be considered as particular cases of our observer. The thesis is organized as follows: In the general introduction, the problem formulation is presented, the objectives of the thesis are pointed out, the scope of the investigation and the main contributions are also presented. Chapter 1 introduces descriptor systems as the class of systems considered in this work and presents a review of the state of the art focused on the observers design for these systems. Also we introduce the GDO as an observer with structure more general than that of the PO and the PIO. Chapter 2 develops the GDO for descriptor systems with or without disturbances. Extension of these approaches for discrete-time descriptor systems with or without disturbances are also presented. In Chapter 3, the robust approach of the GDO is treated for parametric uncertain descriptor systems, where the uncertainty is bounded, and for linear parameter varying (LPV) descriptor systems, where the parameters vary inside a polytope. Chapter 4 presents the GDO application to observer-based control with the objective to stabilize descriptor systems that normally are unstable. An extension of this approach to disturbed descriptor systems is also developed. Chapter 5 presents the GDO application to fault diagnosis, which is divided in two parts. The first one is to detect and isolate faults by using a GDO that provides residuals that are able to represent only the presence of one fault, so that we can isolate multiple faults. And the second part is to estimate the faults by using a GDO with a modified structure. These approaches are developed for descriptor systems and for uncertain descriptor systems. The last part is dedicated to general conclusions and some perspectives.

Cette thèse présente une modélisation et commande passive des bioréacteurs continus isothermes. Une attention spéciale est portée à la recherche de fonctions de Lyapunov ayant un sens physique ou reliées à la structure du modèle. On montre que l’énergie libre de Gibbs est une fonction Hamiltonienne appropriée pour les réacteurs enzymatiques. Un modèle basé sur une représentation énergétique est proposé qui peut être considéré comme un système quasi-Port-Hamiltonien. Le modèle se décline en une représentation dans l’espace des concentrations (SPH) et une autre dans l’espace réactionnel (RPH). La commande basée sur la passivité par interconnexion et assignation d'amortissement est obtenue en donnant une forme appropriée à l’énergie désirée, que ce soient pour des modèles SPH ou RPH. Les résultats sont validés par simulation sur un modèle d’hydrolyse enzymatique de la cellulose. On propose ensuite un modèle passif d’un ensemble de réactions microbiennes dans un réacteur ouvert, avec un nouveau type de fonctions de stockage. Grâce à un changement de variables adéquat, le nombre d’´équations du système est réduit et les propriétés de passivité sont directement démontrées. A partir de ce modèle, il est possible de déterminer une commande passive de manière systématique. Les fonctions de Lyapunov candidates peuvent présenter une certaine analogie avec l’énergie libre de Gibbs introduite dans la représentation quasi Port-Hamiltonienne des réactions enzymatiques. Par la suite, une loi de commande adaptative basée sur le modèle présenté est proposée. La validation a été effectuée à partir de simulations d’une réaction élémentaire, puis d’une digestion anaérobie. Les résultats montrent la pertinence des nouvelles lois de commandes passive et adaptative. / This thesis proposes a passivity based formulation and control of a well-mixed CSTR model for a set of chemical and biochemical reactions taking place at constant pressure and temperature. Special care has been taken to not look loosely on the physical coherence of a system by using meaningful energy functions as Lyapunov functions and using the structure of the model while performing the control. It is made clear that Gibbs free energy is an apt Hamiltonian function for such cases. The Bond Graph models related to Port-Hamiltonian formulation for both types of reactions are given in order to show its ability of pictorial representation and intuitive solution. An energy based model of such systems is proposed which can be said as quasi Port-Hamiltonian system (PHS) based on physical grounds. The model is taking care of the concentration space and reaction space of a chemical reaction. Stoichiometric and Reaction interconnection and damping assignment passivity based controllers (IDA-PBC) are derived from the proposed Stoichiometric and Reaction energy based models respectively by physically giving the energy function a desired form. Real application of enzymatic hydrolysis of cellulose in continuous reactor is simulated.Then, a passivity based model of a general set of microbial reactions in open reactors with new Lyapunov functions is derived. A useful change of coordinates is done which simplifies the number of equations to be taken care of and shows directly the passivity of the system. The passivity based control is obtained from systematic controller design techniques. The Lyapunov functions can be said to be in close proximity with the Gibbs free energy function used in Port-Hamiltonian model of enzymatic reactions and are far from the traditional non-physical quadratic functions. A general method of generating an adaptive passivity based control law with the new model which is more physical and maintains the structure of the model has been generated. Application and validation of the model through simulations is done on single and multiple reaction examples. To explore the pseudo-energetic point of view towards modeling and control of microbial reactions in open reactors with parametric uncertainty, different candidate energy functions are being tested and an adaptive controller is designed to cope with uncertainties on the specific growth rate.

Les travaux de cette thèse portent sur la stabilisation des systèmes affines commutés. Ces systèmes appartiennent à la classe des systèmes dynamiques hybrides. Ils possèdent de plus la particularité d'avoir des points de fonctionnement non auto-maintenables : il n'existe pas de loi de commutations permettant de maintenir l'état du système en ce point. De ce fait, la stabilisation de ces systèmes en imposant à la loi de commutations une durée minimale entre chaque commutation aboutit à une convergence des trajectoires dans une région de l'espace d'état. Après avoir synthétisé différentes stratégies de commutations échantillonnées construites à partir d'une fonction de commande de Lyapunov en temps continu, nous cherchons à déterminer la région de l'espace dans laquelle converge asymptotiquement l'ensemble des trajectoires du système. Par la résolution d'un problème d'optimisation, une estimation de la taille de cette région est donnée et un lien avec les incertitudes du système y est établi. Un second problème de stabilisation est étudié dans cette thèse, en considérant une stratégie de commande basée observateur par retour de sortie. Cependant, du fait de la nature hybride du système, son observabilité est directement liée à la séquence de commutations. Il est alors nécessaire de garantir à la fois l'observabilité, par une condition algébrique, et la convergence du système vers un point de fonctionnement, par l'existence d'une fonction de commande de Lyapunov / This PhD thesis deals with the stabilization of switched affine systems. These systems belong to the class of hybrid dynamical systems. They exhibit a particular behavior: no switching law exists such that the state can be maintained on a chosen operating point. Hence, assuming a dwell time condition on switchings exists, the stabilization of these systems leads to a convergence of the trajectories to a region of the state space. Based on a control Lyapunov function in continuous time, we synthesize several sampled-data switching strategies. The whole trajectories asymptotically converge to a region which we attempt to determine. Solving an optimization problem, an estimation of the size of this region is given. A link with the system uncertainties is also established. This PhD thesis is dedicated to a second stabilization issue: observer-based output-feedback synthesis. By its hybrid nature, the observability of the system is connected to the switching sequence. Therefore, the synthesis of the switching strategy must respect an observability condition and guarantee the convergence to the operating point. The observability is achieved thanks to an algebraic condition. The convergence property is based on the existence of a control Lyapunov function

La théorie des systèmes a acquis un statut interdisciplinaire au cours des cinq dernières décennies, et un aspect important de cette théorie concerne la commande automatique des systèmes dynamiques. Un dispositif de commande, appelé contrôleur ou régulateur, est un dispositif qu'on interconnecte à un système donné, qu'on désigne aussi sous le terme de procédé ou processus, de manière à réaliser un système global ayant un comportement désiré ou des performances spécifiées. Dans cette thèse, nous traitons de la problématique de la commande automatique des systèmes dynamiques sujets à des défaillances. Cette problématique est fortement motivée par les exigences de sûreté de fonctionnement des systèmes en milieu industriel où la commande tolérante aux défauts constitue un moyen pour améliorer la fiabilité et accroître la disponibilté des systèmes tout en assurant les performances souhaitées. Le travail présenté dans cette thèse porte essentiellement sur la synthèse de techniques de commande en ligne en vue de garantir une tolérance aux pannes à tout moment pour le système bouclé. Deux approches sont proposées, à savoir une première approche basée sur une banque de contrôleurs pré-conçus et une seconde approche basée sur la conception en ligne des commandes. L'originalité de ces approches réside dans le fait qu'aucune information a priori sur le procédé n'est exigée ou n'est disponible en temps réel. En particulier, aucune identification ni estimation des paramètres du procédé n'est effectuée en temps réel. La reconfiguration des contrôleurs suite à une défaillance du procédé se base uniquement sur les trajectoires réelles (signaux) issues du procédé. Nous utilisons l'approche comportementale des systèmes comme paradigme de modélisation mathématique pour le développement des solutions proposées. Dans ce cadre mathématique, le concept d'interconnexion entre deux systèmes dynamiques, à savoir le contrôleur et le procédé, joue un rôle important dans la formulation et la solution du problème de commande et permet de déterminer l'ensemble admissible des trajectoires du procédé qui sont compatibles avec les spécifications de performance. Du point de vue pratique, la réduction des transitoires lors de la reconfiguration des contrôleurs est l'une des exigences importantes dans les algorithmes de commandes tolérantes aux défauts. La dernière partie de la thèse traite de la gestion de ces transitoires à l'aide d'une technique d'implantation des contrôleurs en temps réel qui assure une transition sans-à-coup lors des reconfigurations. En outre, on illustre dans cette dernière partie de la thèse les solutions de commandes obtenues pour la tolérance aux fautes sur des exemples issus du monde réel, à savoir un procédé hydraulique constitué de deux bacs à niveau, un avion en phase d'approche à l'atterrissage, et une éolienne NREL de 5 mégawatts / The field of system and control theory has achieved an interdisciplinary status during the past five decades, and we refer to the theory that was developed during this period as the conventional control theory. This mainly relates to the study of automation and the design of controllers. A controller is a device that makes the interconnection with a given system so that the controlled system can behave in a desired way. In this thesis, we deal with the issues when the controlled system becomes faulty. The control of a faulty system addresses the concept of Fault-Tolerant Control System (FTCS). The study of such systems is in response to the demands of large-scale industries since from their viewpoint it is the foremost task to design control systems, which are capable of tolerating potential faults occurring either in the internal closedloops or from the environmental factors in order to improve the reliability and availability of a system while providing the expected performance. The work presented in this thesis is mainly focused on synthesizing the online controllers that guarantee the closed-loop system to be fault-tolerant at anytime. Two methodologies are proposed in this work, which rest under the broad classification of FTC systems, namely projection-based approach and online redesign approach. The novelty of these approaches lies in the fact that any a priori information about the plant is not available in realtime. In addition, no online identification or estimation of the operating plant is carried out. Rather, the re-configuration procedure of the controllers is solely based on the measurements generated by the unknown plant. This phenomenon is very nicely demonstrated by using the time-trajectory based viewpoint of behavioral theory. Within this mathematical framework, the interconnection between two dynamical systems, namely the plant and the controller, plays the significant role. Consequently, taking the benefits of this behavioral framework, the real-time measurement based solutions are proposed to handle the fault-tolerant control problem. From the practical implementation viewpoint, the transient management during the controller reconfiguration mechanism is one of the important requirements for active FTCS. The last part of the thesis deals with the online implementation of the controllers within the behavioral framework, which takes care of the transient mechanism. The proposed approach guarantees the "real-time smooth interconnection" between the controller and the unknown plant. Moreover, in this part the application of the theory developed in the thesis is effectively demonstrated on real-world examples, namely the two-tanks system, the aircraft landing mechanism, and the NREL's 5MW wind turbine system.