Les Systèmes à Evénements Discrets (SED) peuvent être définis comme des systèmes dans lesquels les variables d'état changent sous l'occurrence d'évènements au fil du temps. Les SED mettant en jeu des phénomènes de synchronisation peuvent être modélisés par des équations linéaires dans les algèbres de type (max,+). L'analyse d'atteignabilité est une problématique majeure pour les systèmes dynamiques. L'objectif est de calculer l'ensemble des états atteignables d'un système dynamique pour toutes les valeurs admissibles d'un ensemble d'états initiaux. Le problème de l'analyse d'atteignabilité pour les systèmes Max-Plus Linéaire (MPL) a été, proprement, résolu en décomposant le système MPL en une combinaison de systèmes affines par morceaux où les composantes affines du système sont représentées par des matrices de différences bornées (Difference Bound Matrix, DBM). La contribution principale de cette thèse est de présenter une procédure similaire pour résoudre le problème de l'atteignabilité pour des systèmes MPL incertains (uMPL), c'est-à-dire des systèmes MPL soumis à des bruits bornés, des perturbations et/ou des erreurs de modélisation. Tout d'abord, nous présentons une procédure permettant de partionner l'espace d'état d'un système uMPL en parties représentables par des DBM. Ensuite, nous étendons l'analyse d'atteignabilité des systèmes MPL aux systèmes uMPL. Enfin, les résultats sur l'analyse d'atteignabilité sont mis en oeuvre pour résoudre le problème d'atteignabilité conditionnelle, qui est étroitement lié au calcul du support de la densité de probabilité impliquée dans le problème de filtage stochastique / Discrete Event Dynamic Systems (DEDS) are discrete-state systems whose dynamics areentirely driven by the occurrence of asynchronous events over time. Linear equations in themax-plus algebra can be used to describe DEDS subjected to synchronization and time delayphenomena. The reachability analysis concerns the computation of all states that can bereached by a dynamical system from an initial set of states. The reachability analysis problemof Max Plus Linear (MPL) systems has been properly solved by characterizing the MPLsystems as a combination of Piece-Wise Affine (PWA) systems and then representing eachcomponent of the PWA system as Difference-Bound Matrices (DBM). The main contributionof this thesis is to present a similar procedure to solve the reachability analysis problemof MPL systems subjected to bounded noise, disturbances and/or modeling errors, calleduncertain MPL (uMPL) systems. First, we present a procedure to partition the state spaceof an uMPL system into components that can be completely represented by DBM. Then weextend the reachability analysis of MPL systems to uMPL systems. Moreover, the results onreachability analysis of uMPL systems are used to solve the conditional reachability problem,which is closely related to the support calculation of the probability density function involvedin the stochastic filtering problem. / Os Sistemas a Eventos Discretos (SEDs) constituem uma classe de sistemas caracterizada por apresentar espaço de estados discreto e dinâmica dirigida única e exclusivamente pela ocorrência de eventos. SEDs sujeitos aos problemas de sincronização e de temporização podem ser descritos em termos de equações lineares usando a álgebra max-plus. A análise de alcançabilidade visa o cálculo do conjunto de todos os estados que podem ser alcançados a partir de um conjunto de estados iniciais através do modelo do sistema. A análise de alcançabilidade de sistemas Max Plus Lineares (MPL) pode ser tratada por meio da decomposição do sistema MPL em sistemas PWA (Piece-Wise Affine) e de sua correspondente representação por DBM (Difference-Bound Matrices). A principal contribuição desta tese é a proposta de uma metodologia similar para resolver o problema de análise de alcançabilidade em sistemas MPL sujeitos a ruídos limitados, chamados de sistemas MPL incertos ou sistemas uMPL (uncertain Max Plus Linear Systems). Primeiramente, apresentamos uma metodologia para particionar o espaço de estados de um sistema uMPL em componentes que podem ser completamente representados por DBM. Em seguida, estendemos a análise de alcançabilidade de sistemas MPL para sistemas uMPL. Além disso, a metodologia desenvolvida é usada para resolver o problema de análise de alcançabilidade condicional, o qual esta estritamente relacionado ao cálculo do suporte da função de probabilidade de densidade envolvida o problema de filtragem estocástica.

Discrete event systems (DES) are a special class of dynamical systems with discrete-valued state space and event-driven transitions. DES are ubiquitous in today's world and are used in different sectors such as manufacturing systems, transport networks and computer networks. They offer unique capabilities, such as flexibility and adaptability; at the same time, they can be challenging to model and analyze. Moreover, the complexity of DES is scaled up when disturbances are present. Many different kinds of real life DES can be modeled using dioid algebra which is a powerful tool for describing nonlinear behaviors using linear system models. Dioid algebra is an exotic algebra of formal series which can be understood as a set of only positive numbers without negatives. This special algebraic structure is useful in modeling DES because such systems feature variables that cannot be inverted with respect to some variables. Nonlinear behaviors of DES are able to be modeled as linear systems in terms of dioid algebra in order to use classical control techniques in scheduling and control of DES.This dissertation presents the scheduling and control of DES using a special dioid called max-plus algebra, which is a set of real numbers with the operation of maximum and addition replacing the usual classical operations of addition and multiplication, respectively. This dissertation also studies the behavior of DES when disturbances are present. Two different paths to the scheduling of DES are presented: using dioid algebra and using linear programming methods. The control of DES with disturbances and uncertainties is also explored, particularly, the solutions of the disturbance decoupling problem and the modified disturbance decoupling problem using various controller structures are presented. Disturbance decoupling in this dissertation means the scheduling of the DES will not not be affected by the presence of the disturbances. On the other hand, modified disturbance decoupling means the scheduling will not be worse than the delays caused by the disturbances in industrial just-in-time (JIT) standards. JIT means that the operations start with just enough time to be completed by the desired schedule in order to minimize waste and costs in work in progress and material storage.The applicability of the approach presented in this dissertation is demonstrated in real-world processes including a large-scale high throughput screening (HTS) system in drug discovery and an optimal scheduler for an airport's runways. The main contributions of this dissertation are max-plus and mathematical programming solutions for scheduling and control of discrete event systems with disturbances. The results present a theoretical scheduling prior to exhaustive scheduling algorithms in large-scaled industrial systems.

Le travail présenté s'inscrit dans le contexte de la théorie des systèmes linéaires dans les dioïdes. La motivation initiale de cette étude a été de contribuer à l'analyse et la commande de systèmes linéaires dans max-plus en utilisant spécifiquement une approche géométrique. La contribution de cette thèse est centrée sur deux problèmes. La première partie est dédiée à l'étude de la relation entre les notions d'invariance contrôlée et d'invariance contrôlée par retour d'état dynamique dans un semi-anneau. Cette relation permet de montrer l'équivalence de ces deux notions. La deuxième partie concerne un problème original dans la théorie des systèmes linéaires dans max-plus, il s'agit de la synthèse d'une loi de commande par retour d'état, qui permette de satisfaire un ensemble de spécifications exprimées sous la forme de restrictions sur l'état du système, avec une approche géométrique. Il s'agit plus précisément de commander des systèmes à événements discrets décrits par un modèle linéaire dans max-plus. Nous définissons et caractérisons l'ensemble des conditions initiales admissibles, lesquelles sont à l'origine de solutions non décroissantes. Les restrictions temporelles imposées à l'espace d'état du système sont décrites par le semi-module défini par l'image de l'étoile de Kleene de la matrice associée aux restrictions temporelles. Les propriétés géométriques de ce semi-module permettant de garantir que l'évolution du système en boucle fermée satisfasse les restrictions sont étudiées. Des conditions suffisantes concernant l'existence d'une loi de commande causale par retour d'état statique sont présentées. Le calcul des lois de commande causales est également présenté. Pour illustrer l'application de cette approche, deux problèmes de commande sont présentés. / This work is in the context of the theory of linear Systems in the dioids. The initial motivation of this study was to contribute to the analysis and control of max-plus linear systems, specifically using a geometric approach. The contribution of this thesis focuses on two issues. The first part is dedicated to study of the relationship between the concepts of controlled invariance and dynamic state feedback controlled invariance in a semi-ring. This relationship allows us to show the equivalence of these two concepts. The second part relates to a new problem in the theory of max-plus linear systems, it is the synthesis, with a geometric approach, of a static state feedback control law, in order to satisfy a set of specifications that apply to the state space of the system. This is specifically to control of discrete event systems described by a linear model in max-plus. We define and characterize the set of admissible initial conditions, which are the cause of non-decreasing solutions. Temporal restrictions on the system state space are described by the semi-module defined by the image of the Kleene star of the matrix associated with time restrictions. The geometric properties of this semi-module are studied. Sufficient conditions for the existence of a causal control law by static feedback are presented. Calculating causal control laws is also presented. To illustrate the application of this approach, two control problems are presented.

Les travaux développés dans cette thèse empruntent trois directions principales. D'une part, une étude attentive des propriétés de l'automate universel d'un langage rationnel a été menée. Cet automate fini (introduit sous une forme sensiblement différente par J.H. Conway) accepte le langage et a la particularité de contenir l'image par morphisme de n'importe quel automate équivalent. Nous donnons un algorithme pour le construire à partir de l'automate minimal. L'exploitation des propriétés de l'automate universel d'un langage réversible nous a permis de montrer qu'il existe un sous-automate quasi-réversible (à partir duquel on peut facilement construire un automate réversible) de l'automate universel équivalent. De plus, il existe un tel sous-automate sur lequel on peut calculer une expression rationnelle qui représente le langageavec une hauteur d'étoile minimale. D'autre part, nous donnons un algorithme pour décider la séquentialité d'une série (max,+) ou (min,+) réalisée par par un automate sur un alphabet à une lettre. La complexité de cet algorithme ne dépend que de la structure de l'automate et non des valeurs des coefficients. Nous présentons aussi un algorithme qui permet de procéder directement à la déterminisation d'un automate réalisant une série séquentielle et, si ce n'est pas le cas, à l'obtention d'un automate équivalent non ambigu. Ce dernier point rejoint le résultat de Stéphane Gaubert qui montre qu'on peut obtenir une expression (et donc un automate) non ambiguë pour n'importe quel série (max,+) rationnelle sur une lettre. Enfin, nous proposons un algorithme pour construire, à partir d'une expression rationnelle avec multiplicité, un automate qui représente la même série. Cet algorithme, qui est la généralisation des travaux d'Antimirov, permet d'obtenir explicitement un ensemble fini d'expressions qui représentent un ensemble générateur du semi-module auquel appartiennent les quotients de la série rationnelle.

Technology scaling in the nanometer era comes with a significant amount of process variation, leading to lower yield and new types of defective parts. These challenges necessitate robust design to ensure adequate yield, and smarter testing to screen out bad chips. Statistical static timing analysis (SSTA) en- ables this but suffers from crude approximation algorithms. This dissertation first studies the underlying theories of timing graphs and proposes two fundamental techniques enhancing the core statistical timing algorithms. We first propose the refactoring technique to capture topological correlation. Static timing analysis is based on levelized breadth-first traversal, which is a fundamental graph traversal technique and has been used for static timing analysis over the past decades. We show that there are numerous alternatives to the traversal because of an algebraic property, the distributivity of addition over maximum. This new interpretation extends the degrees of freedom of static timing analysis, which is exploited to improve the accuracy of SSTA. We also propose a novel operator for computing joint probabilities in SSTA. In many SSTA applications, this is very common but is done using the max operator which results in much error due to the linear approximation. The new operator provides significantly higher accuracy at a small cost of run time. Second, based on the two fundamental studies, this dissertation devel- ops three applications. We propose a criticality computation method that is essential to robust design and test synthesis; The proposed method, combined with the two fundamental techniques, achieves drastic accuracy improvement over the state-of-the-art method, demonstrating the benefits in practical ap- plications. We formulate the statistical path selection problem for at-speed test as a gambling problem and present an elegant solution based on the Kelly criterion. To circumvent the coverage loss issue in statistical path selection, we propose a testability driven approach, making it a practical solution for coping with parametric defects. / text

Une approche fondamentale pour la résolution de problémes de contrôle optimal est basée sur le principe de programmation dynamique. Ce principe conduit aux équations d'Hamilton-Jacobi, qui peuvent être résolues numériquement par des méthodes classiques comme la méthode des différences finies, les méthodes semi-lagrangiennes, ou les schémas antidiffusifs. À cause de la discrétisation de l'espace d'état, la dimension des problèmes de contrôle pouvant être abordés par ces méthodes classiques est souvent limitée à 3 ou 4. Ce phénomène est appellé malédiction de la dimension. Cette thèse porte sur les méthodes numériques max-plus en contôle optimal deterministe et ses analyses de convergence. Nous étudions et developpons des méthodes numériques destinées à attenuer la malédiction de la dimension, pour lesquelles nous obtenons des estimations théoriques de complexité. Les preuves reposent sur des résultats de théorie de Perron-Frobenius non linéaire. En particulier, nous étudions les propriétés de contraction des opérateurs monotones et non expansifs, pour différentes métriques de Finsler sur un cône (métrique de Thompson, métrique projective d'Hilbert). Nous donnons par ailleurs une généralisation du "coefficient d'ergodicité de Dobrushin" à des opérateurs de Markov sur un cône général. Nous appliquons ces résultats aux systèmes de consensus ainsi qu'aux équations de Riccati généralisées apparaissant en contrôle stochastique.

Les travaux de recherche concernant l'ordonnancement mobilisent un nombre important de chercheurs. Cette forte émulation est principalement due au large panorama des problématiques d'ordonnancement. Parmi elles, le problème d'atelier à cheminement multiple, communément appelé " Job-Shop ", tient une place particulièrement prépondérante tant ce problème est rencontré dans le milieu industriel. De nombreux sujets de recherche, en France et à l'étranger, sont issus de cette problématique. Les problèmes de Job-Shop peuvent souvent être simplifiés en les considérant comme des problèmes cycliques. L'ordonnancement des tâches devient ainsi cyclique et son objectif est d'organiser les activités de production en répétant un cycle de base que l'on a optimisé. De nombreux paramètres entrent en jeu dans l'optimisation du cycle de base tels que la période du cycle choisie, l'ordre des opérations élémentaires pour réaliser un travail, la durée de ces opérations, le nombre de produits à réaliser par cycle, etc. Plusieurs approches ont été utilisées pour résoudre ce problème. Parmi elles, nous pouvons citer l'approche par réseaux de Petri et plus particulièrement par graphes d'événements temporisés, l'approche par les graphes, l'approche par la programmation linéaire et l'approche par la théorie des tas. L'approche par les graphes permet une représentation graphique du problème sous forme d'un graphe où les noeuds représentent les différentes opérations et où les arcs illustrent les contraintes du problème d'ordonnancement cyclique, un tel problème admet une solution réalisable si, et seulement si, le graphe associé est consistant. Cette propriété de consistance d'un problème d'ordonnancement cyclique et de son graphe permet d'élaguer l'arbre de recherche de la procédure de séparation et d'évaluation proposée pour cette approche. Concernant l'approche par la théorie des tas, le sous-problème de l'évaluation d'une solution peut être résolu aisément avec l'aide de la théorie des tas. En effet, en traduisant le problème dans une structure mathématique adaptée, l'évaluation du taux de production du cycle revient au calcul d'une valeur propre d'un produit de matrices dans lequel chacune des matrices représente une opération élémentaire. Cette propriété s'avère particulièrement intéressante dans le cas de l'évaluation successive d'un grand nombre d'ordonnancement. En outre, la théorie des tas permet une représentation très intuitive d'un ordonnancement, puisque celui-ci s'illustre comme un empilement de plusieurs briques (en fait, un " tas " de briques) dont le contour supérieur correspond aux dates de fin des dernières opérations des machines.

Les mathématiques tropicales sont une branche des mathématiques correspondant à l'étude d'une algèbre modifiée grâce à la redéfinition de l'addition et de la multiplication. Les mathématiques tropicales sont généralement définies grâce au minimum et à l'addition (algèbre min-plus) mais le terme est parfois utilisé pour désigner l'algèbre max-plus, définie grâce au maximum et à l'addition. Briec et Horvath ont introduit une notion de convexité très proche qui apparait comme un cas limite d’opérateurs utilisés en théorie de l’optimisation par Avriel (1972) et de Ben-Tal (1977). En suivant cette ligne d’investigation, nous allons proposer, dans le domaine de l’économie de la production et de l’optimisation de portefeuille, une certaine classe de modèles économiques à élaborés à partir de ces notions. Pour ce faire, nous introduisons une nouvelle classe de technologie de production permettant de prendre en compte les structures d’homothe´tie-translation dans la mesure de productivité au travers du concept de la Convexité Max-Plus. Ensuite, nous allons établir une relation topologique entre plusieurs classes de modèles convexes généralisés connus. Nous analysons pour cela la limite de Painlevé-Kuratowski des modèles CES-CET et des technologies non paramétriques satisfaisant une hypothèse de rendements d’échelle alpha. On montre que leurs limites topologiques convergent vers les modèles de production B-convexe et Cobb-Douglas. Enfin, nous allons montrer que l'amélioration de l'efficacité technique d’une coalition d’entreprises s'avère compatible avec les technologies de semi-treillis dans un jeu coopératif. Nous introduisons ensuite, le concept d’écart absolu moyen dans la sélection du portefeuille en utilisant le « Shortage Function » qui prend en compte simultanément la réduction des inputs et l’augmentation des outputs comme dans la théorie de la production. Enfin, nous allons étendre le concept de B-convexité et de l’inverse B-convexité en se concentrant sur le calcul des mesures d’efficacité technique dans le graphe. / Tropical algebra is the tropical analogue of linear algebra by redefining the usual operation addition by the maximization operation and the usual addition operation as multiplication. Briec and Horvath introduced a concept of convexity very close to this concept quoted above which appears as one of the limits of use of the theory of optimization by Avriel (1972) and Ben-Tal (1977). Following this line of investigation, we give an overview of contributions involving a semilattice structure of production technologies and an optimization portfolio. To do that, firstly, we propose a framework allowing to consider both semilattice structure and translation homothetic properties in productivity measurement. We introduce the concept of Max-Plus convexity which combine both an upper semilattice structure and an additivity assumption. We establish a topological relation between several classes of known generalized convex models using some basic algebraic convex structures. We analyze the Painlevé-Kuratowski limit of the CES-CET and Alpha-returns to scale models. It is shown that their topological limits yield the B-convex and Cobb-Douglas production models. Moreover, we show that the improvement of technical efficiency is compatible with semilattice technologies in a cooperative game. Then, we introduce a criterion to measure portfolio efficiency based upon the minimization of the maximum absolute deviation and minimum absolute deviation from the expected return using the Shortage function. Finally, we derive simple closed-form expressions to calculate the hyperbolic measure in the case of inverse and B-Convexity that evaluates technical efficiency in the full input-output space.

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The general scope of this thesis is aimed at investigating certain classes of discrete equations through the analysis of certain characteristics of the solutions of these equations. We construct new methods of analysis based on the growth of these characteristics that let us single out known integrable discrete equations from certain class of equations. These integrable discrete equations are discrete analogues of the famous Painleve equations.