Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Matemáticas Aplicadas. Ingeniero Civil Matemático / Multi-Output Gaussian Processes (MOGPs) are the multivariate extension of Gaussian processes (GPs \cite{Rasmussen:2006}), a Bayesian nonparametric method for univariate regression. MOGPs address the multi-channel regression problem by modeling the correlation in time and/or space (as scalar GPs do), but also across channels and thus revealing statistical dependencies among different sources of data. This is crucial in a number of real-world applications such as fault detection, data imputation and financial time-series analysis. Analogously to the univariate case, MOGPs are entirely determined by a multivariate covariance function, which in this case is matrix valued. The design of this matrix-valued covariance function is challenging, since we have to deal with the trade off between (i) choosing a broad class of cross-covariances and auto-covariances, while at the same time (ii) ensuring positive definiteness of the symmetric matrix containing these scalar-valued covariance functions. In the stationary univariate case, these difficulties can be bypassed by virtue of Bochner's theorem, that is, by building the covariance function in the spectral (Fourier) domain to then transform it to the time and/or space domain, thus yielding the (single-output) Spectral Mixture kernel \cite{Wilson:2013}. A classical approach to define multivariate covariance functions for MOGPs is through linear combinations of independent (latent) GPs; this is the case of the Linear Model of Coregionalization (LMC \cite{goo1997}) and the Convolution Model \cite{Alvarez:2008}. In these cases, the resulting multivariate covariance function is a function of both the latent-GP covariances and the linear operator considered, which usually results in symmetric cross-covariances that do not admit lags across channels. Due to their simplicity, these approaches fail to provide interpretability of the dependencies learnt and force the auto-covariances to have similar structure. The main purpose of this work is to extend the spectral mixture concept to MOGPs: We rely on Cram\'er's theorem \cite, the multivariate version of Bochner's theorem, to propose an expressive family of complex-valued square-exponential cross-spectral densities, which, through the Fourier transform yields the Multi-Output Spectral Mixture kernel (MOSM). The proposed MOSM model provides clear interpretation of all the parameters in spectral terms. Besides the theoretical presentation and interpretation of the proposed multi-output covariance kernel based on square-exponential spectral densities, we inquiry the plausibility of complex-valued t-Student cross-spectral densities. We validate our contribution experimentally through an illustrative example using a tri-variate synthetic signal, and then compare it against all the aforementioned methods on two real-world datasets.

The goal of this thesis is to make Fröberg's conjecture more accessible to the average math graduate student by building up the necessary background material to understand specific examples where Fröberg's conjecture is true.

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The rigorous quality criterion and intricate shapes of plastic injection molded parts require molders to improve process control systems in order to keep their competitive status in the market. In recent research, various advanced control algorithms are employed to develop in-line process controllers. In modem controllers design, in-mold process variables play a very important role in connecting machine variables and quality variables. Model-based predictive control (MPC) is used to investigate the controllability of cavity pressure and cavity temperature within a cycle or cycle-to-cycle. The objective of the present work is to demonstrate a procedure to develop MPC controllers based on simulation results. Moldflow® was used to simulate the injection molding process for a thin-wall cell phone cover. Cavity pressure profiles and part surface temperature profiles were extracted to develop the dynamic model for controller design. Thermal analysis for the cooling stage was investigated by ANSYS® FEM software. Mold surface temperature profiles were used for controller design. Dynamic matrix control, a type of MPC control, was developed by using Matlab® MPC Toolbox. A single-input/single-output MPC controller was developed to control cavity pressure in filling stage by manipulating injection flow rate. Simulation studies were then used to develop a MPC controller to implement a closed-loop control. The controller performed very well to control the pressure profile to trace the set-point, even with melt temperature or mold temperature change. Two MPC controllers were developed to control cavity surface cycle average temperature by manipulating coolant flow rate and coolant temperature. Both controllers show good controllability for cycle average temperature control. A two-input/two-output DMC controller was implemented to control cavity pressure and part surface temperature in the packing stage. Packing pressure and mold temperature were manipulated to trace the controlled profile set-points in each sampling time. Results shows that the controller was able to meet the set-point very well, for an unmeasured disturbance, based on a closed-loop test. All the controllers were developed based on simulation results, which will have some differences with real production data. Therefore, the model parameter and controller tuning parameter should be validated and modified if needed before real-time application. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Les travaux entrepris au cours de cette thèse ont permis de concevoir des stratégies de commande de systèmes multivariables (outils d’analyse et méthodes de synthèse) en vue de leur application au développement de lois de commande d’un turbopropulseur.D’un point de vue fonctionnel, un turbopropulseur est un système multivariable comprenant deux grandeurs de commande : le débit carburant à injecter dans la chambre de combustion et le pas de l’hélice, ainsi que deux grandeurs de sortie : la puissance délivrée par l’hélice et sa vitesse de rotation. Ces variables sont fortement couplées, ce qui signifie que des variations de l’une entraînent des écarts sur l’autre. L’objectif de ces travaux est de synthétiser des lois de commande facilement ajustables, permettant de respecter des spécifications classiques en Automatique (temps de réponse, dépassement, erreur statique) et de réduire les couplages entre les différentes grandeurs régulées. Dans ce contexte industriel, les approches décentralisées sans et avec découplage sont envisagées. La stratégie décentralisée pure met en œuvre un correcteur diagonal, ce qui revient à asservir un système par plusieurs boucles monovariables indépendantes. Bien que relativement facile à synthétiser et à implanter, la stratégie décentralisée ne permet pas d’atteindre les performances souhaitées en présence d’interactions importantes. Dans ce cas, il est possible de l’associer à des compensateurs permettant de diminuer les interactions.Une part importante de ces travaux de recherche concerne le développement méthodologique de ces stratégies. La définition d’une stratégie de commande est la première étape. Pour cela, la quantification du niveau d’interaction dans un système se révèle importante. Celle-ci peut être réalisée à l’aide de différentes méthodes et indicateurs qui s’appuient sur les réponses fréquentielles ou temporelles du système, ou encore sur les grammiens de commandabilité et d’observabilité. Une procédure systématique d’analyse des interactions a été proposée afin de déterminer la stratégie de commande la plus adaptée en fonction des interactions. Dans le cas où l’analyse des interactions conduit à adopter une stratégie décentralisée, les régulateurs peuvent être synthétisés à l’aide de méthodes monoboucles ou multiboucles. Les premières ne prennent pas en compte les interactions tandis que les secondes, plus élaborées mais également plus complexes à mettre en œuvre, permettent de les prendre spécifiquement en compte. A la suite de l’analyse de ces méthodes, une étude récapitulative présentant les méthodes préconisées en fonction du procédé et des objectifs, est finalement proposée. Dans le cas où l’analyse des interactions montre un niveau de couplage trop important, il est possible d’associer des compensateurs à la régulation décentralisée. Les compensateurs ont pour but de découpler les commandes vis-à-vis des sorties du procédé. Différentes méthodes et structures de découplage ont été étudiées et comparées. Une procédure de découplage, composée des méthodes considérées comme les plus efficaces a finalement été mise en place. / In this Ph.D. thesis, we explore the different steps of designing a decentralized control applied on a turboprop engine.From the control point of view, the turboprop engine is a TITO (Two-Input Two-Output) process. The fuel flow is used to control the shaft power while the blade pitch angle is used to control the propeller speed. The turboprop presents important couplings between manipulated variables and controlled variables. When the fuel flow changes, the propeller speed is impacted. Similarly, when controlling the blade pitch angle to change the propeller speed to another level, the shaft power is affected, particularly during the transient states. The main objective of this research thesis is to design control laws for the turboprop. Beside technical specifications like response time and overshoot, couplings between loops have to be reduced as much as possible and control laws have to be robust to model uncertainties. For this industrial environment a decentralized strategy (with or without compensators) has been chosen. The decentralized strategy consists in designing monoloop controllers in order to drive the multivariable system. The decentralized strategy presents important benefits, such as flexibility as well as design simplicity, but is not efficient in presence of heavy couplings. In that case, it is possible to use compensators that reduce existing process interactions before designing the monoloop controllers.An important part of this work focuses on the development of these different strategies.The first step is the choice of the control structure, which strongly depends on the level of interaction. Despite the availability of different metrics - based on frequential responses, temporal responses, or Gramian – it is not easy to know which one is the most appropriate. Based on the analysis of couplings with different metrics, a procedure is proposed in order to choose the structure and the controllers design method.If the coupling analysis leads to adopt a decentralized strategy, the controllers can be designed using monoloop or multiloop methods. The first ones are simple but do not take couplings into account, whereas multiloop methods take specifically couplings into account but are more complicated. These tuning methods have been studied and recommendations have finally been made to choose the most appropriated method depending on the process and the requirements.In cases where the couplings analysis reveals a high couplings level, compensators can be associated with the decentralized strategy. The objectives of the compensators are to reduce couplings in the system and to facilitate the design of monoloop controllers. Several decoupling structures have been studied and compared. A decoupling procedure has then been proposed.These methodological studies have been applied to the turboprop engine. Following the coupling analysis, a decentralized strategy with decoupling has been chosen. After following the decoupling procedure and trying different solutions, the inverted decoupler has been adopted. Considering the dynamics of the system and the total decoupling provided by the inverted decoupler, PI controllers have been used and a monoloop tuning method has been chosen. In order to guarantee the desired performances over the whole flight envelope, control laws have been interpolated, using a gain scheduling technique. The structured singular value approach has then been used to demonstrate the robustness of the control laws with model uncertainties. Control laws have finally been implemented in the control software and simulation results have illustrated their good performances.

Les travaux entrepris au cours de cette thèse ont permis de concevoir des stratégies de commande de systèmes multivariables (outils d’analyse et méthodes de synthèse) en vue de leur application au développement de lois de commande d’un turbopropulseur.D’un point de vue fonctionnel, un turbopropulseur est un système multivariable comprenant deux grandeurs de commande : le débit carburant à injecter dans la chambre de combustion et le pas de l’hélice, ainsi que deux grandeurs de sortie : la puissance délivrée par l’hélice et sa vitesse de rotation. Ces variables sont fortement couplées, ce qui signifie que des variations de l’une entraînent des écarts sur l’autre. L’objectif de ces travaux est de synthétiser des lois de commande facilement ajustables, permettant de respecter des spécifications classiques en Automatique (temps de réponse, dépassement, erreur statique) et de réduire les couplages entre les différentes grandeurs régulées. Dans ce contexte industriel, les approches décentralisées sans et avec découplage sont envisagées. La stratégie décentralisée pure met en œuvre un correcteur diagonal, ce qui revient à asservir un système par plusieurs boucles monovariables indépendantes. Bien que relativement facile à synthétiser et à implanter, la stratégie décentralisée ne permet pas d’atteindre les performances souhaitées en présence d’interactions importantes. Dans ce cas, il est possible de l’associer à des compensateurs permettant de diminuer les interactions.Une part importante de ces travaux de recherche concerne le développement méthodologique de ces stratégies. La définition d’une stratégie de commande est la première étape. Pour cela, la quantification du niveau d’interaction dans un système se révèle importante. Celle-ci peut être réalisée à l’aide de différentes méthodes et indicateurs qui s’appuient sur les réponses fréquentielles ou temporelles du système, ou encore sur les grammiens de commandabilité et d’observabilité. Une procédure systématique d’analyse des interactions a été proposée afin de déterminer la stratégie de commande la plus adaptée en fonction des interactions. Dans le cas où l’analyse des interactions conduit à adopter une stratégie décentralisée, les régulateurs peuvent être synthétisés à l’aide de méthodes monoboucles ou multiboucles. Les premières ne prennent pas en compte les interactions tandis que les secondes, plus élaborées mais également plus complexes à mettre en œuvre, permettent de les prendre spécifiquement en compte. A la suite de l’analyse de ces méthodes, une étude récapitulative présentant les méthodes préconisées en fonction du procédé et des objectifs, est finalement proposée. Dans le cas où l’analyse des interactions montre un niveau de couplage trop important, il est possible d’associer des compensateurs à la régulation décentralisée. Les compensateurs ont pour but de découpler les commandes vis-à-vis des sorties du procédé. Différentes méthodes et structures de découplage ont été étudiées et comparées. Une procédure de découplage, composée des méthodes considérées comme les plus efficaces a finalement été mise en place. / In this Ph.D. thesis, we explore the different steps of designing a decentralized control applied on a turboprop engine.From the control point of view, the turboprop engine is a TITO (Two-Input Two-Output) process. The fuel flow is used to control the shaft power while the blade pitch angle is used to control the propeller speed. The turboprop presents important couplings between manipulated variables and controlled variables. When the fuel flow changes, the propeller speed is impacted. Similarly, when controlling the blade pitch angle to change the propeller speed to another level, the shaft power is affected, particularly during the transient states. The main objective of this research thesis is to design control laws for the turboprop. Beside technical specifications like response time and overshoot, couplings between loops have to be reduced as much as possible and control laws have to be robust to model uncertainties. For this industrial environment a decentralized strategy (with or without compensators) has been chosen. The decentralized strategy consists in designing monoloop controllers in order to drive the multivariable system. The decentralized strategy presents important benefits, such as flexibility as well as design simplicity, but is not efficient in presence of heavy couplings. In that case, it is possible to use compensators that reduce existing process interactions before designing the monoloop controllers.An important part of this work focuses on the development of these different strategies.The first step is the choice of the control structure, which strongly depends on the level of interaction. Despite the availability of different metrics - based on frequential responses, temporal responses, or Gramian – it is not easy to know which one is the most appropriate. Based on the analysis of couplings with different metrics, a procedure is proposed in order to choose the structure and the controllers design method.If the coupling analysis leads to adopt a decentralized strategy, the controllers can be designed using monoloop or multiloop methods. The first ones are simple but do not take couplings into account, whereas multiloop methods take specifically couplings into account but are more complicated. These tuning methods have been studied and recommendations have finally been made to choose the most appropriated method depending on the process and the requirements.In cases where the couplings analysis reveals a high couplings level, compensators can be associated with the decentralized strategy. The objectives of the compensators are to reduce couplings in the system and to facilitate the design of monoloop controllers. Several decoupling structures have been studied and compared. A decoupling procedure has then been proposed.These methodological studies have been applied to the turboprop engine. Following the coupling analysis, a decentralized strategy with decoupling has been chosen. After following the decoupling procedure and trying different solutions, the inverted decoupler has been adopted. Considering the dynamics of the system and the total decoupling provided by the inverted decoupler, PI controllers have been used and a monoloop tuning method has been chosen. In order to guarantee the desired performances over the whole flight envelope, control laws have been interpolated, using a gain scheduling technique. The structured singular value approach has then been used to demonstrate the robustness of the control laws with model uncertainties. Control laws have finally been implemented in the control software and simulation results have illustrated their good performances.

La Réunion est une île volcanique du Sud-Ouest de l’Océan Indien, située à 800 km à l’Est de Madagascar et appartenant à l’archipel des Mascareignes, avec Maurice et Rodrigues. Ce territoire est un département français d’outremer et par conséquent les lois européennes sur la qualité des eaux des cours d’eau s’y appliquent. La chimie de l’eau n’étant pas suffisante pour surveiller la qualité des eaux, les bio-indicateurs peuvent compléter le diagnostic. Dans cette thèse, les diatomées ont été choisies pour évaluer la qualité des eaux courantes. Les diatomées de La Réunion ne sont connues que par des articles épars avec la description de nouvelles espèces. Pendant quatre ans, six campagnes de prélèvements ont été menées sur les rivières pérennes. Ce travail a permis d’acquérir des connaissances sur la flore diatomique épilithique des cours d’eau pérennes de La Réunion et par conséquent sur la biodiversité de ces milieux. De plus, l’écologie des diatomées a été étudiée statistiquement, avec les arbres de régression multivariable (ARM), l’IndVal et ses extensions et les moyennes pondérées, ce qui a permis d’acquérir des connaissances sur l’écologie des communautés, l’autoécologie des espèces et donc sur la qualité de l’eau des rivières. Les résultats intégrés de cette thèse ainsi que les travaux réalisés dans le cadre d’une collaboration avec l’Irstea, ont abouti à une nouvelle méthode indicielle, l’Indice Diatomique Réunion ou IDR, permettant d’évaluer la qualité écologique des cours d’eau. / The volcanic Réunion Island is situated in the southwest Indian Ocean, 800 km to the east of Madagascar; it belongs to the Mascarene archipelago with Mauritius and Rodrigues. This territory is a French oversea department and therefore follows EU laws rivers water quality. The water chemistry is not enough to monitor the quality of water and bioindicators can complete the diagnosis. In this thesis, diatoms have been choosen to assess the quality of the running waters. The diatoms of Réunion Island are only known through scarce articles with bthe description of new species. During four years, six sampling campaigns were conducted on the perennial rivers. The gain of this work is the knowledge of the epilithic diatom flora of Réunion Island perennial rivers and therefore the biodiversity of these environments. Moreover, the study of the diatom ecology by statistics, like Multivariable regression trees (MRT), IndVal and these extensions, Weighted Average (WA) allows acquire knowledge about their community ecology, their autoecology and accordingly on the quality of the river water. The results included in this thesis as well as the work done in collaboration with Irstea, led to a new index method, the Diatomic Index Réunion or IDR, to assess the ecological quality of rivers.

Les actionneurs multi-axes sont de plus en plus prisés par les concepteurs de systèmes de nanopositionnement car ils permettent une réduction de l'espace occupé et de l'énergie consommée, une dextérité plus grande et une modularité avec peu de contraintes pour les applications. Certains de ces actionneurs et systèmes multi-axes sont cependant caractérisés par des oscillations mal-amorties qui compromettent de manière drastique leurs performances générales. Cette thèse concerne l'exploitation des techniques de commande en boucle-ouverte input-shaping classiquement utilisées pour amortir de manière sans capteurs les oscillations dans les systèmes mono-axes et les étendent pour qu'ils soient utilisables pour les systèmes multi-axes. Les résultats proposés dans la thèse qui sont des techniques input-shaping multivariables sont ensuite appliquées sur des actionneurs piézoélectriques classiquement dédiés pour les applications de nanopositionnement. / Multi-axes actuators are becoming more and more tempting to nanopositioning system designers as they enable them to save space, reduce energy consumption, increase dexterity and offer more modularity and freedom with fewer constraints to their applications. Some of these multi-axes actuators and systems exhibit however badly damped vibrations which strongly compromise their global performances. This thesis work exploits the advantages of the well-known feedforward input shaping techniques usually used to damp vibrations in monovariable (SISO) systems to present a new multivariable (MIMO) input shaping technique that can be used to damp vibrations in multi-axes systems. The approach that was used in this study is to extend a previous work that was done on multiple-input single-output (MISO) systems and generalize it for MIMO systems. The study demonstrates also the application of this newly developed technique on different piezoelectric actuators commonly used in nanopositioning systems.

Comment utiliser de manière quantitative l'information fournie par un dispositif de télédétection météorologique afin d'améliorer la mesure conventionnelle donnée par les réseaux de stations au sol ? Pour répondre à cette question, importante d'un point de vue pratique, ce mémoire propose une approche géostatistique permettant, d'une part, de vérifier la qualité des mesures obtenues par chaque dispositif, et d'autre part de combiner les mesures sol aux images de télédétection. Des exemples d'application concernant la mesure des précipitations et de l'insolation sont analysés afin d'illustrer la méthodologie proposée en la comparant à des approches plus traditionnelles. La définition d'un protocole de validation s'appuie sur des rappels de géostatistique classique (Chapitre 1). Ce protocole fixe des valeurs de référence permettant de vérifier les résultats obtenus par un dispositif de mesure d'après différents critères statistiques d'erreur (Chapitre Il). Le système de cokrigeage est décrit en terme de méthode d'étalonnage capable de combiner des mesures ponctuelles et de télédétection (Chapitre IV). Différentes simplifications de cette méthode sont détaillées et rapprochées des méthodes classiques d'étalonnage (Chapitre VII). Les données utilisées pour mettre en oeuvre ces méthodes de validation et d'étalonnage (Chapitres III, V et VII) sont des mesures de précipitations en région tempérée (radar et pluviomètres dans le Bassin Parisien) ou semi-aride (satellites et pluviomètres en Arabie) et des mesures d'insolation en région tempérée (satellite et héliographes en France).

Utilização de experimentos com relés para identificação de pontos da resposta em freqüência de sistemas multivariáveis quadrados e sintonia de controladores PID descentralizados. / It use relay experiments for square multivariable system frequency response and decentralized PID controller tunning.