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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.

The main objective of this work is to demonstrate some new computational methods for estimation, optimization and modeling of dynamical systems that use automatic differentiation. Particular focus will be upon dynamical systems arising in Aerospace Engineering. Automatic differentiation is a recursive computational algorithm, which enables computation of analytically rigorous partial derivatives of any user-specified function. All associated computations occur, in the background without user intervention, as the name implies. The computational methods of this dissertation are enabled by a new automatic differentiation tool, OCEA (Object oriented Coordinate Embedding Method). OCEA has been recently developed and makes possible efficient computation and evaluation of partial derivatives with minimal user coding. The key results in this dissertation details the use of OCEA through a number of computational studies in estimation and dynamical modeling. Several prototype problems are studied in order to evaluate judicious ways to use OCEA. Additionally, new solution methods are introduced in order to ascertain the extended capability of this new computational tool. Computational tradeoffs are studied in detail by looking at a number of different applications in the areas of estimation, dynamical system modeling, and validation of solution accuracy for complex dynamical systems. The results of these computational studies provide new insights and indicate the future potential of OCEA in its further development.

Le retard est un phénomène naturel présent dans la majorité des systèmes physiques et dans les applications d’ingénierie, ainsi, les systèmes à retard ont été un domaine de recherche très actif en automatique durant les 60 dernières années. La conception d’observateur est un des sujets les plus importants qui a été étudié, ceci est dû à l’importance des observateurs en automatique et dans les systèmes de commande en absence de capteur pour mesurer une variable. Dans ce travail, l’objectif principal est de concevoir des observateurs pour différentes classes de systèmes à retard avec un retard arbitrairement large, et ce en utilisant différentes approches. Dans la première partie de cette thèse, la conception d’un observateur a été réalisée pour une classe de systèmes non linéaires triangulaires avec une sortie échantillonnée et un retard arbitraire. Une l’autre difficulté majeure avec cette classe de systèmes est le fait que la matrice d’état dépend du signal de sortie non-retardé qui est immesurable. Un nouvel observateur en chaine, composé de sous-observateurs en série est conçu pour compenser les retards arbitrairement larges. Dans la seconde partie de ce travail, un nouvel observateur a été conçu pour un autre type de systèmes non linéaires triangulaires, où le retard a été considéré, cette fois-ci, comme une équation aux dérivées partielles de type hyperbolique du premier ordre. La transformation inverse en backstepping et le concept de l’observateur en chaine ont été utilisés lors de la conception de cet observateur afin d’assurer son efficacité en cas de grands retards. Dans la dernière partie de cette thèse, la conception d’un nouvel observateur a été réalisée pour un type de système modélisé par des équations paraboliques non linéaires où les mesures sont issues d’un nombre fini de points du domaine spatial. Cet observateur est constitué d’une série de sous-observateurs en chaine. Chaque sous-observateur compense une fraction du retard global. L'analyse de la stabilité des systèmes d’erreur a été fondée sur différentes fonctionnelles Lyapunov-Krasovskii. Par ailleurs, différents instruments mathématiques ont été employés au cours des différentes preuves présentées. Les résultats de simulation ont été présentés dans le but de confirmer l'exactitude des résultats théoriques / Time-delay is a natural phenomenon that is present in most physical systems and engineering applications, thus, delay systems have been an active area of research in control engineering for more than 60 years. Observer design is one of the most important subject that has been dealt with, this is due to the importance of observers in control engineering systems not only when sensing is not sufficient but also when a sensing reliability is needed. In this work, the main goal was to design observers for different classes of nonlinear delayed systems with an arbitrary large delay, using different approaches. In the first part, the problem of observer design is addressed for a class of triangular nonlinear systems with not necessarily small delay and sampled output measurements. Another major difficulty with this class of systems is the fact that the state matrix is dependent on the un-delayed output signal which is not accessible to measurement. A new chain observer, composed of sub-observers in series, is designed to compensate for output sampling and arbitrary large delays.In the second part of this work, another kind of triangular nonlinear delayed systems was considered, where this time the delay was considered as a first order hyperbolic partial differential equation. The inverse backstepping transformation was invoked and a chain observer was developed to ensure its effectiveness in case of large delays. Finally, a new observer was designed for a class of nonlinear parabolic partial differential equations under point measurements, in the case of large delays. The observer was composed of several chained sub-observers. Each sub-observer compensates a fraction of the global delay. The stability analyses of the error systems were based on different Lyapunov-Krasovskii functionals. Also different mathematical tools have been used in order to prove the results. Simulation results were presented to confirm the accuracy of the theoretical results

Grey-box models are constructed by combining model components that are derived from first principles with components that are identified empirically from data. In this thesis a grey-box modelling method for describing distributed parameter systems is presented. The method combines partial differential equations with a multi-layer perceptron network in order to incorporate prior knowledge about the system while identifying unknown dynamics from data. A gradient-based optimization scheme which relies on the reverse mode of automatic differentiation is used to train the network. The method is presented in the context of modelling the dynamics of a chemical reaction in a fluid. Lastly, the grey-box modelling method is evaluated on a one-dimensional and two-dimensional instance of the reaction system. The results indicate that the grey-box model was able to accurately capture the dynamics of the reaction system and identify the underlying reaction. / Hybridmodeller konstrueras genom att kombinera modellkomponenter som härleds från grundläggande principer med modelkomponenter som bestäms empiriskt från data. I den här uppsatsen presenteras en metod för att beskriva distribuerade parametersystem genom hybridmodellering. Metoden kombinerar partiella differentialekvationer med ett neuronnätverk för att inkorporera tidigare känd kunskap om systemet samt identifiera okänd dynamik från data. Neuronnätverket tränas genom en gradientbaserad optimeringsmetod som använder sig av bakåt-läget av automatisk differentiering. För att demonstrera metoden används den för att modellera kemiska reaktioner i en fluid. Metoden appliceras slutligen på ett en-dimensionellt och ett två-dimensionellt exempel av reaktions-systemet. Resultaten indikerar att hybridmodellen lyckades återskapa beteendet hos systemet med god precision samt identifiera den underliggande reaktionen.

<p>Predmet istraživanja je identifikaciji i adaptivna estimacija<br />parametara široke klase linearnih sistema. Predloženi algoritmi<br />za adaptivnu estimaciju parametara su primenjivi na sisteme koji se<br />opisuju funkcijama prenosa proizvoljnog oblika, što uključuje sisteme<br />sa kašnjenjem, distribuiranim parametrima, frakcione sisteme i<br />druge sisteme opisane iracionalnim funkcijama prenosa. Na<br />posletku, dat je algoritam za identifikaciju CNG sistema koji se ne<br />izvršava u realnom vremenu i pretpostavlja da struktura modela nije<br />poznata unapred.</p> / <p>The subject of this research is the system identification and adaptive<br />parameter estimation in wide class of linear processes. Proposed<br />approaches for adaptive parameter estimation can be applied to systems<br />described by transfer functions of arbitrary form, including systems with<br />delay, distributed-paratemeter systems, fractional order systems, and other<br />system described by irrational transfer functions. In the final part, an offline<br />algorithm for identification of CNG system which does not assume any a<br />priori known model structure is proposed.</p>

Abnormal electromagnetic wave propagation characterized by negative group velocity and consequently negative group delay (NGD) has been observed in certain materials as well as in artificially built structures. Within finite frequency intervals where an NGD phenomenon is observed, higher frequency components of the applied waveform are propagated with phase advancement, not delay, relative to the lower frequency components. These media have found use in many applications that require positive delay compensation and an engineered phase characteristic, such as eliminating phase variation with frequency in phase shifters, beam-squint minimization in phased array antenna systems, size reduction of feed-forward amplifiers and others. The three principal questions this thesis addresses are: can a generic formulation for artificial NGD structures based on electric circuit resonators be developed; is it possible to derive a quantitative functional relationship (asymptotic limit) between the maximum achievable NGD and the identified trade-off quantity (out-of-band gain); and, can a microwave circuit exhibiting a fully loss-compensated NGD propagation in both directions be designed and implemented? A generic frequency-domain formulation of artificial NGD structures based on electric circuit resonators is developed and characterized by three parameters, namely center frequency, bandwidth and the out-of-band gain. The developed formulation is validated through several topologies reported in the literature. The trade-off relationship between the achievable NGD on one hand, and the out-of-band gain on the other, is identified. The out-of-band gain is shown to be proportional to transient amplitudes when waveforms with defined “turn on/off” times are propagated through an NGD medium. An asymptotic limit for achievable NGD as a function of the out-of-band gain is derived for multi-stage resonator-based NGD circuits as well as for an optimally engineered linear causal NGD medium. Passive NGD media exhibit loss which can be compensated for via active elements. However, active elements are unilateral in nature and therefore do not allow propagation in both directions. A bilateral gain-compensated circuit is designed and implemented, which overcomes this problem by employing a dual-amplifier configuration while preserving the overall circuit stability.

Abnormal electromagnetic wave propagation characterized by negative group velocity and consequently negative group delay (NGD) has been observed in certain materials as well as in artificially built structures. Within finite frequency intervals where an NGD phenomenon is observed, higher frequency components of the applied waveform are propagated with phase advancement, not delay, relative to the lower frequency components. These media have found use in many applications that require positive delay compensation and an engineered phase characteristic, such as eliminating phase variation with frequency in phase shifters, beam-squint minimization in phased array antenna systems, size reduction of feed-forward amplifiers and others. The three principal questions this thesis addresses are: can a generic formulation for artificial NGD structures based on electric circuit resonators be developed; is it possible to derive a quantitative functional relationship (asymptotic limit) between the maximum achievable NGD and the identified trade-off quantity (out-of-band gain); and, can a microwave circuit exhibiting a fully loss-compensated NGD propagation in both directions be designed and implemented? A generic frequency-domain formulation of artificial NGD structures based on electric circuit resonators is developed and characterized by three parameters, namely center frequency, bandwidth and the out-of-band gain. The developed formulation is validated through several topologies reported in the literature. The trade-off relationship between the achievable NGD on one hand, and the out-of-band gain on the other, is identified. The out-of-band gain is shown to be proportional to transient amplitudes when waveforms with defined “turn on/off” times are propagated through an NGD medium. An asymptotic limit for achievable NGD as a function of the out-of-band gain is derived for multi-stage resonator-based NGD circuits as well as for an optimally engineered linear causal NGD medium. Passive NGD media exhibit loss which can be compensated for via active elements. However, active elements are unilateral in nature and therefore do not allow propagation in both directions. A bilateral gain-compensated circuit is designed and implemented, which overcomes this problem by employing a dual-amplifier configuration while preserving the overall circuit stability.

L’objectif principal de cette thèse consiste à étudier plusieurs thématiques : l’étude de l’observation et la commande d’un système de structure flexible et l’étude de la stabilité asymptotique d’un système d’échangeurs thermiques. Ce travail s’inscrit dans le domaine du contrôle des systèmes décrits par des équations aux dérivées partielles (EDP). On s’intéresse au système du corps-poutre en rotation dont la dynamique est physiquement non mesurable. On présente un observateur du type Luenberger de dimension infinie exponentiellement convergent afin d’estimer les variables d’état. L’observateur est valable pour une vitesse angulaire en temps variant autour d’une constante. La vitesse de convergence de l’observateur peut être accélérée en tenant compte d’une seconde étape de conception. La contribution principale de ce travail consiste à construire un simulateur fiable basé sur la méthode des éléments finis. Une étude numérique est effectuée pour le système avec la vitesse angulaire constante ou variante en fonction du temps. L’influence du choix de gain est examinée sur la vitesse de convergence de l’observateur. La robustesse de l’observateur est testée face à la mesure corrompue par du bruit. En mettant en cascade notre observateur et une loi de commande stabilisante par retour d’état, on souhaite obtenir une stabilisation globale du système. Des résultats numériques pertinents permettent de conjecturer la stabilité asymptotique du système en boucle fermée. Dans la seconde partie, l’étude est effectuée sur la stabilité exponentielle des systèmes d’échangeurs thermiques avec diffusion et sans diffusion. On établit la stabilité exponentielle du modèle avec diffusion dans un espace de Banach. Le taux de décroissance optimal du système est calculé pour le modèle avec diffusion. On prouve la stabilité exponentielle dans l’espace Lp pour le modèle sans diffusion. Le taux de décroissance n’est pas encore explicité dans ce dernier cas. / The main objective of this thesis consists to investigate the following themes : observation and control of a flexible structure system and asymptotic stability of a heat exchangers system. This work is placed in the field of the control of systems described by partial differential equations (PDEs). We consider a rotating body-beam system whose dynamics are not physically measurable. An infinite-dimensional exponentially convergent Luenberger-like observer is presented in order to estimate the state variables. The observer is also valid for a time-varying angular velocity around some constant. We can accelerate the decay rate of the observer by a second step design. The main contribution of this work consists in building a numerical simulator based on the finite element method (FEM). A numerical investigation is carried out for the system with constant or time-varying angular velocity. We examine the influence of the gain choice on the decay rate of the observer. The robustness of the observer is tested with the measurement corrupted by noise. By cascading our observer and a feedback control law, we wish to obtain a global stabilization of the rotating bodybeam system. The relevant numerical results make it possible for us to conjecture that the closed-loop system is locally asymptotically stable. We investigate the exponential stability of the heat exchangers systems with diffusion or without diffusion. We establish the exponential stability of the model with diffusion in a Banach space. Moreover, the optimal decay rate of the system is computed for the model with diffusion. We prove exponential stability in (C[0, 1])4 space for the model without diffusion. The optimal decay rate in the latter case is not yet found.

Integrace a derivace jsou obvykle známy pro celočíselný řád (tj. první, druhý, atd.). Existuje ale zobecnění pro zlomkové (neceločíselné) řády, které lze implementovat pomocí elektronických obvodů zlomkového řádu (případně provést jejich aproximaci) a které poskytuje nový stupeň volnosti pro návrh elektronických obvodů. Obvody zlomkového řádu jsou obvykle aproximovány diskrétními součástkami pomocí RC struktur s velkými rozsahy odporů a kapacit, a tím se jeví nepraktické pro použití v integrovaných obvodech. Tato práce prezentuje implementaci obvodů zlomkového řádu v integerovaných obvodech a jejich praktické využití v této oblasti. Jsou použity prvky se soustředěnými parametry (např. RC žebřík) i prvky s rozprostřenými parametery (např. R-PMOScap, skládající se z nesalicidovaného proužku polykrystalického křemíku nad hradlovým oxidem); je použita pouze technologie typu analogvý CMOS bez dodatečných procesních kroků. Užití obvodů zlomkového řádu bylo demonstrováno realizací několika integrovaných napěťových regulátorů, v nichž obvody zlomkového řádu realizují řízení zlomkového řádu za účelem dosažení silné stejnosměrné regulace a dobré stability regulační smyčky - i bez použití kompenzační nuly nebo příliš vysoké externí kapacity (některé napěťové regulátory dovolují i zatěžovací kapacitou v rozsahu nula až nekonečno).