Essa pesquisa se propõe a investigar o uso de Inclusões Diferenciais Lineares Limitadas por Norma (IDLNs) para projeto de controladores de amortecimento de tipo PSS (Power System Stabilizer) para sistemas elétricos com a presença de geração distribuída. Uma vez definida de maneira adequada, uma IDLN pode ser capaz de englobar um conjunto de trajetórias do modelo não-linear do sistema em estudo. Assim, é possível garantir certas propriedades (estabilidade assintótica, por exemplo) para as trajetórias da IDLN e, consequentemente, as mesmas propriedades terão validade para as trajetórias do modelo não-linear. Inicialmente propõe-se um procedimento para cálculo dos parâmetros do modelo de IDLN proposto de forma que ela seja capaz de agregar um conjunto de dinâmicas de interesse do sistema. Tal procedimento divide-se, basicamente, em duas etapas. Na primeira etapa, o objetivo é englobar um conjunto de trajetórias do modelo não-linear do sistema numa Inclusão Diferencial Linear Politópica (IDLP). Já na segunda etapa, os parâmetros da IDLN são calculados a partir da solução um problema na forma de LMIs (Linear Matrix Inequalities) que utiliza informações da IDLP obtida anteriormente. Em seguida, essa pesquisa propõe um procedimento sistemático na forma de LMIs para projeto de controladores de amortecimento de tipo PSS para sistemas de geração distribuída usando-se os modelos de IDLNs propostos. Restrições na forma de desigualdades matriciais são incluídas ao problema de controle para garantir um desempenho mínimo a ser atingido pelo controlador. Como resultado, a formulação do problema de controle é descrita por um conjunto de BMIs (Bilinear Matrix Inequalities). Entretanto, através de um procedimento de separação pode-se tratar o problema em duas etapas, ambas envolvendo a solução de um conjunto de LMIs. Uma planta de co-geração instalada numa rede de distribuição composta por um alimentador e 6 barras é utilizada como sistema teste. / This work proposes an investigation about the use of Norm-bounded Linear Differential Inclusions (NLDIs) for the design of PSS-type damping controllers for electrical systems with the presence of distributed generation. When the NLDI is properly defined, it is possible to guarantee certain properties (for example, asymptotic stability) to the trajectories of the NLDI and, consequently, the trajectories of the nonlinear model have these same properties. Initially, this research proposes a procedure to calculate the NLDI parameters in such way it can be capable to aggregate a set of dynamics of interest. Such procedure is constituted by two steps. In the first step, the objective is to aggregate some trajectories of the nonlinear model to a Politopic Linear Differential Inclusion (PLDI). In the second step, the NLDI parameters are calculated by solving a problem in the form of LMIs (Linear Matrix Inequalities) that uses the IDLP previously obtained. After that, this research proposes a systematic method based on LMIs for the design of PSS-type damping controllers for distributed generation systems. Such method uses the proposed NLDI models. Constraints in the form of LMIs are included to the control problem formulation in order to guarantee a desirable performance to the controller. As a result, the control problem formulation is structured by a set of BMIs (Bilinear Matrix Inequalities). However, it is possible to deal with such problem in two steps,both involving the solution of a set of LMIs. A cogeneration plant added to a distribution network constituted by a feeder and six buses is adopted as test system.

Le contrôle par mode glissant est une technique d'automatique qui possède une longue histoire, la littérature remontant jusqu'au année 50. Son essence est la suivante : le contrôle est définit comme étant l'image d'une fonction discontinue de la variable de glissement, contraignant le système à évolué sur une variété, le système glisse alors dessus, d'où le nom. Cette variable de glissement est elle définie à partir de l'état du système. Les développements ont mené à la constitution d'une théorie bien établie à propos de cette technique, avec de nombreuses propriétés théoriques fort intéressante. Toutefois ceci ne porte que sur la version continue, c'est à dire quand le contrôle peut changer de valeur à chaque instant. En comparaison la version discrète du ce contrôleur est définie par le fait que la valeur du contrôle ne peut changer qu'à des instants isolés discrets. On a alors une fonction en escalier, constante sur la période d'échantillonnage. Cette situation est rencontrée par exemple lorsque le contrôleur est implémenté à l'aide d'un micro-contrôleur, ce qui est le cas dans nombre d'applications industrielles. Le principal problème avec le mode glissant est l'apparition d'un phénomène largement indésirable, le chattering (ou broutement) avec la version discrète du contrôleur, où même déjà en simulation. Dans ce dernier cas, nous appelons ceci du chattering numérique que nous attribuons à une mauvaise discrétisation du contrôle. L'approche développée ici se focalise sur ce point et est largement inspirée par les travaux effectués en mécanique non régulière, où ce type de comportement a aussi été observé lors de la simulation de système avec frottements et/où impacts. L'idée principale est de discretisé le contrôle de manière implicite et non explicite. Ceci permet d'éliminer le chattering numérique dans les cas simples (systèmes linéaires par exemple) où bien de le réduire grandement. Pour mener à bien l'analyse, des outils provenant de l'analyse convexe ainsi que des inégalités variationnelles en dimension finie sont utilisés. Le contrôleur proposé possède des propriétés intéressantes et proches de celles du temps continu. Ainsi on peut montrer que la variable de glissement est régie par une dynamique stable en temps finie, avec une fonction de Lyapunov. Le contrôle discret convergence vers celui du cas continu quand la période d'échantillonnage tends vers 0. Une atténuation d'éventuelles perturbations de type "matching" peut être établie. Ces travaux ont essentiellement portés sur le contrôle par mode glissant classique. L'algorithme dit twisting a pu être discrétisé avec la même technique et sa stabilité en temps finie grâce à une fonction de Lyapunov a pu être montrée. Ces propriétés ont été vérifiée en simulation, mais aussi de manière expérimentale. Ainsi des essais ont pu être menés sur deux banc d'essai: le premier est basé sur un système electropneumatique où à la fois le contrôle par mode glissant classique ainsi que le twisting ont pu être implémentés. L'objectif étant de suivre une trajectoire de référence. Le second système est un pendule inverse où le système doit être stabilisé à la position d'équilibre instable. Ici seul le contrôleur classique a été testé. L'analyse des données expérimentales a permis de mettre en lumière les performances supérieures des contrôleurs proposés par rapport à ceux classiquement usités. Les objectifs de contrôle sont mieux atteint et le chattering est grandement diminué. / Sliding Mode Control is a control technique with a long history, with research efforts dating back to the 50's. The basic idea is to define the control input as a discontinuous function of the sliding variable, which solely depends on the state, and to constraint the system to evolve on a manifold, hence the term sliding. Over the years a strong theory was build around this technique, but only in continuous time. In our context, this means that control input value can change value at any time. The discrete-time case is when the control input can only change at isolated time instants and the dynamical system on which the control is still a continuous-time process. The control input is therefore a step function. This case appears when the controller is digitally implemented, for instance with the help of a microcontroller. This kind of setup is nowadays ubiquitous in benchmarks and industrial applications. One of the main limitation of the applicability of sliding mode control is the chattering phenomenon that is witnessed when this control technique is applied in practice, but already in simulations. In contrast to previous approaches, we single out the chattering that is already witnessed in simulation, even with no disturbance and with perfect knowledge of the dynamics. This is called the numerical chattering and one of its distinct feature is the constant chattering, or high-frequency bang-bang behavior, of the control input. This naturally induces a chattering of the sliding variable. The claim that this type of chattering is usually predominant and that it is due to a bad discretization of the signum multifunction. The approach developed in this work was inspired by the research effort in the nonsmooth mechanical to properly simulate some systems like those with dry friction and/or unilateral constraints. The main point is to discretize the signum in an implicit fashion, that is its argument is the value of the sliding variable at the end of the next sampling period. With this change, the numerical chattering can be removed in the simplest cases, largely attenuated. The research effort was focused on classical sliding mode controller, rather than the higher order ones. The frameworks used to perform the analysis are convex analysis and variational inequalities. This discrete-time controller enjoys several interesting theoretical properties. First it is finite-time Lyapunov stable: the sliding variable goes to 0 in finite-time. The discrete-time control input converges to the continuous-time one as the sampling period goes to 0. The control action also attenuates the effect of matched perturbations. Also the increase of the gain of the controller does not affect the performances when the system is sliding. The twisting controller can be discretized in the same way and is also finite-time Lyapunov stable. This good theoretical properties have been verified in simulations, but also on experimental setups. Two tests were conducted: the first one on an electropneumatic system, where both the classical first-order sliding mode controller and the twisting algorithm were tested. The objective was to track a reference trajectory. The second one was an inverted pendulum on a cart with only the classical SMC. The goal was to stabilize the system at the unstable equilibrium. The analysis from the data collected during those experiments shows that the proposed controllers perform better than the their explicitly discretized versions. The performances are better and the chattering is effectively reduced.

Cette thèse est une contribution à l’étude de problèmes de contrôle optimal dont le caractère non linéaire se traduit par la présence, dans les équations d’état, d’un terme bilinéaire relativement à l’état et au contrôle. Malgré les difficultés liées à la non linéarité, nous obtenons des propriétés spécifiques au cas bilinéaire. L’introduction générale constitue la première partie. La seconde partie est consacrée à l’étude des équations d’état ; ce sont des équations aux dérivées partielles d’évolution. Nous établissons des estimations a priori sur les solutions à partir des inégalités de Willett et Wong et nous démontrons que les équations d’états sont bien posées. Dans le cas où les contrôles subissent une contrainte liée aux états, ces estimations permettent de déduire l’existence de solutions dans le cadre des inclusions différentielles. Les troisième et quatrième parties de ce mémoire sont dévolues à la démonstration de l’existence de contrôles optimaux, puis à l’analyse de la sensibilité relative à une perturbation qui intervient de façon additive dans l’équation d’état. Le caractère bilinéaire permet de vérifier des conditions suffisantes d’optimalité du second ordre. Nous fournissons sur des exemples, une formule explicite des dérivées directionnelles de la fonction valeur optimale / This thesis is devoted to the analysis of nonlinear optimal control problems governed by an evolution state equation involving a term which is bilinear in state and control. The difficulties due to nonlinearity remain, but bilinearity adds a lot of structure to the control problem under consideration. In Section 2, by using Willet and Wong inequalities we establish a priori estimates for the solutions of the state equation. These estimates allow us to prove that the state equation is well posed in the sense of Hadamard. In the case of a feedback constraint on the control, the state equation becomes a differential inclusion. Under mild assumptions, such a differential inclusion is solvable. In Section 3, we prove the existence of solutions to the optimal control problem. Section 4 is devoted to the sensitivity analysis of the optimal control problem. We obtain a formula for the directional derivative of the optimal value function. This general formula is worked out in detail for particular examples

Dans cette thèse de doctorat, nous apportons quelques contributions à la stabilité de Lyapunov non-régulière des inclusions différentielles de premier ordre avec opérateurs monotones maximaux, dans un cadre Hilbertien de dimension infini. Nous fournissons des caractérisations explicites, primales et/ou duales, des paires de Lyapunov faibles et fortes, dont les fonctions sont semi-continues inférieurement à valeurs réelles étendues, et associées à des inclusions différentielles dont la partie de droite est gouvernée par des perturbations Lipschitziennes des opérateurs dits Cusco F, ou des opérateurs monotones maximaux A, ou les deux à la fois x(t) ∈ F(x(t}} A(x(t}} t ≥ 0, x(0) ∈ domA. De manière équivalente, nous étudions l'invariance faible et forte des ensembles fermés pour ces inclusions différentielles. Comme dans L'approche classique de Lyapunov à la stabilité des équations différentielles, les résultats présentés dans cette thèse n'utilisent que les données du système différentiel; c'est-à-dire, l'opérateur A et la multifonction F, et donc pas besoin de connaître les solutions, ni les semi-groupes générés par les opérateurs monotones en question. Parce que les paires de Lyapunov sont formées par des fonctions qui sont simplement semi-continues inférieurement, et les ensembles invariants ne sont que ensembles fermés, nous faisons usage dans cette thèse à des outils de l'analyse non-lisse, afin de fournir des critères du premier ordre, utilisant des sous-différentiels généraux et des cônes normaux. Nous fournissons une analyse similaire pour les inclusions différentielles gouvernées par le cône normal proximal à des ensembles prox-réguliers. Notre analyse ci-dessus, nous a permis de présenter ces systèmes prox-réguliers d’apparence plus générale, comme des inclusions différentielles avec opérateurs monotones maximaux. Nous utilisons aussi nos résultats pour étudier la géométrie des opérateurs monotones maximaux, et plus précisément, la caractérisation de la frontière des valeurs de ces opérateurs seulement au moyen des valeurs situées à proximité, distinctes du point de référence. Ce résultat a des applications dans la stabilité des problèmes de la programmation semi-infinie. Nous utilisons également nos résultats sur les paires de Lyapunov et les ensembles invariants pour établir une étude systématique des observateurs de type Luenberger pour des inclusions différentielles avec des cônes normaux à des ensembles prox-réguliers. / In this PhD thesis, we make some contributions to nonsmooth Lyapunov stability of first-order differential inclusions with maximal monotone operators, in the setting of infinite-dimensional Hilbert spaces. We provide primal and dual explicit characterizations for parameterized weak and strong Lyapunov pairs of lower semicontinuous extended-real-valued functions, referred to as a-Lyapunov pairs, associated to differential inclusions with right-hand-sides governed by Lipschitz or Cusco perturbationsF of maximal monotone operators A, x(t) ∈ F(x(t}} A(x(t}} t ≥ 0, x(0) ∈ domA. Equivalently, we study the weak and strong invariance of sets with respect to such differential inclusions. As in the classical Lyapunov approach to the stability of differential equations, the presented results make use of only the data of the differential system; that is, the operator A and the multifunction F, and so no need to know about the solutions, nor the semi-groups generated by the monotone operators. Because our Lyapunov pairs and invariant sets candidates are just lower semicontinuous and closed, respectively, we make use of nonsmooth analysis to provide first-order-like criteria using general subdifferentials and normal cones. We provide similar analysis to non-convex differential inclusions governed by proximal normal cones to prox-regular sets. Our analysis above allowed to prove that such apparently more general systems can be easily coined into our convex setting. We also use our results to study the geometry of maximal monotone operators, and specifically, the characterization of the boundary of the values of such operators by means only of the values at nearby points, which are distinct of the reference point. This result has its application in the stability of semi-infinite programming problems. We also use our results on Lyapunov pairs and invariant sets to provide a systematic study of Luenberger-like observers design for differential inclusions with normal cones to prox-regular sets.

<p>Анализиран је судар два тела као и дисипација енергије укључена кроз механизам сувог трења моделираног неглатком вишевредносном функцијом и кроз деформацију вискоеластичног штапа чији модел укључује фракционе изводе. Проблем судара два тела је приказан у форми Кошијевог проблема који припада класи неглатких вишевредносних диференцијалних једначина произвољног реалног<br />реда. Кошијев проблем је решен нумеричким поступком заснованим на Тарнеровом алгоритму. Испитано је кретање система и дисипација енергије за разне вредности улазних параметара. Показано је да се уведене методе могу применити и на проблем судара три тела.</p> / <p>Analiziran je sudar dva tela kao i disipacija energije uključena kroz mehanizam suvog trenja modeliranog neglatkom viševrednosnom funkcijom i kroz deformaciju viskoelastičnog štapa čiji model uključuje frakcione izvode. Problem sudara dva tela je prikazan u formi Košijevog problema koji pripada klasi neglatkih viševrednosnih diferencijalnih jednačina proizvoljnog realnog<br />reda. Košijev problem je rešen numeričkim postupkom zasnovanim na Tarnerovom algoritmu. Ispitano je kretanje sistema i disipacija energije za razne vrednosti ulaznih parametara. Pokazano je da se uvedene metode mogu primeniti i na problem sudara tri tela.</p> / <p> Impact of two bodies was analyzed as well as energy dissipation, which was<br /> included through dry friction phenomena modelled by a set-valued function,<br /> and through deformation of a viscoelastic rod modelled by fractional<br /> derivatives. The impact problem was presented in the form of the Cauchy<br /> problem that belongs to a class of set-valued fractional differential equations.<br /> The Cauchy problem was solved by the numerical procedure based on<br /> Turner&rsquo;s algorithm. Behaviour and energy dissipation of the system was<br /> investigated for different values of input parameters. It was shown that<br /> suggested procedure can be applied on the problem of impact of three<br /> bodies.</p>

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