付記する学位プログラム名: 京都大学卓越大学院プログラム「先端光・電子デバイス創成学」 / 京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第24620号 / 工博第5126号 / 新制||工||1980(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 土居 伸二, 教授 小嶋 浩嗣, 准教授 薄 良彦, 教授 引原 隆士 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Cette thèse est motivée par un problème aéronautique: le ballottement du carburantdans des réservoirs d’ailes d’avion très flexibles. Les vibrations induites par le couplagedu fluide avec la structure peuvent conduire à des problèmes tels que l’inconfort des passagers,une manoeuvrabilité réduite, voire même provoquer un comportement instable. Cette thèse apour objectif de développer de nouveaux modèles d’interaction fluide-structure, en mettant enoeuvre la théorie des systèmes Hamiltoniens à ports d’interaction (pHs). Le formalisme pHsfournit d’une part un cadre unifié pour la description des systèmes multi-physiques complexeset d’autre part une approche modulaire pour l’interconnexion des sous-systèmes grâce auxports d’interaction. Cette thèse s’intéresse aussi à la conception de contrôleurs à partir desmodèles pHs. Des modèles pHs sont proposés pour les équations de ballottement du liquide en partantdes équations de Saint Venant en 1D et 2D. L’originalité du travail est de donner des modèlespHs pour le ballottement dans des réservoirs en mouvement. Les ports d’interaction sont utiliséspour coupler la dynamique du ballottement à la dynamique d’une poutre contrôlée par desactionneurs piézo-électriques, celle-ci étant préalablement modélisée sous forme pHs. Aprèsl’écriture des équations aux dérivées partielles dans le formalisme pHs, une approximation endimension finie est obtenue en utilisant une méthode pseudo-spectrale géométrique qui conservela structure pHs du modèle continu au niveau discret. La thèse propose plusieurs extensionsde la méthode pseudo-spectrale géométrique, permettant la discrétisation des systèmesavec des opérateurs différentiels du second ordre d’une part et avec un opérateur d’entrée nonborné d’autre part. Des essais expérimentaux ont été effectués sur une structure constituéed’une poutre liée à un réservoir afin d’assurer la validité du modèle pHs du ballottementdu liquide couplé à la poutre flexible, et de valider la méthode pseudo-spectrale de semi-discrétisation.Le modèle pHs a finalement été utilisé pour concevoir un contrôleur basé surla passivité pour réduire les vibrations du système couplé. / This thesis is motivated by an aeronautical issue: the fuel sloshing in tanksof very flexible wings. The vibrations due to these coupled phenomena can lead to problemslike reduced passenger comfort and maneuverability, and even unstable behavior. Thisthesis aims at developing new models of fluid-structure interaction based on the theory ofport-Hamiltonian systems (pHs). The pHs formalism provides a unified framework for thedescription of complex multi-physics systems and a modular approach for the coupling ofsubsystems thanks to interconnection ports. Furthermore, the design of controllers using pHsmodels is also addressed. PHs models are proposed for the equations of liquid sloshing based on 1D and 2D SaintVenant equations and for the equations of structural dynamics. The originality of the workis to give pHs models of sloshing in moving containers. The interconnection ports are used tocouple the sloshing dynamics to the structural dynamics of a beam controlled by piezoelectricactuators. After writing the partial differential equations of the coupled system using thepHs formalism, a finite-dimensional approximation is obtained by using a geometric pseudospectralmethod that preserves the pHs structure of the infinite-dimensional model at thediscrete level. The thesis proposes several extensions of the geometric pseudo-spectral method,allowing the discretization of systems with second-order differential operators and with anunbounded input operator. Experimental tests on a structure made of a beam connected to atank were carried out to validate both the pHs model of liquid sloshing in moving containersand the pseudo-spectral semi-discretization method. The pHs model was finally used to designa passivity-based controller for reducing the vibrations of the coupled system.

L'utilisation des convertisseurs de puissance pour des applications de la vie quotidienne devient de plus en plus importante. Les applications technologiques actuelles demandent simultanément un haut niveau de précision et de performance, ainsi les convertisseurs DC-DC ont un rôle très important dans les systèmes nécessitant la conversion et l’adaptation du niveau d'énergie. Nous nous intéressons dans le cadre des travaux de cette thèse à une analyse des approches de modélisation et de synthèse de loi de commande permettant d’assurer la stabilité et un certain niveau de performances dans l’ensemble du domaine de fonctionnement défini par un cahier des charges tout en prenant en compte la problématique de leur application dans un environnement industriel. L'objectif de nos travaux de recherche est donc de proposer des lois de commandes dont la synthèse est fondée sur une approche formalisé {modélisation + commande} en vue d’obtenir des lois de commande adaptées au point de fonctionnement. Les principes exploités sont fondés sur la commande et l’observation par modes glissants d’une part, et sur la théorie de passivité pour la synthèse des lois de commande, complétées par un couple {observateur d’état + estimateur de charge} dont la synthèse est fondée sur l’exploitation des principes d'immersion et invariance, d’autre part. Le souci de la validation expérimentale et de l’implantation des structures de commande avec du matériel disponible industriellement a été en permanence un fil conducteur. Pour démontrer l’efficacité des méthodes proposées, leur application expérimentale a été effectuée sur un convertisseur de type SEPIC. Ce convertisseur présente plusieurs avantages par rapport à autres convertisseurs. Cependant, il reste peu exploité, en dépit de ces avantages, en raison des difficultés pour obtenir des lois commande performantes permettant la stabilisation de sa tension de sortie dans tout l’ensemble du domaine de fonctionnement. / The use of power converters for real life applications is continuously increasing. Technological requirements include high precision levels and very good performances at the same time, where DC-DC converters have always played an important role in energy conversion-based systems. Our interest, throughout this thesis, is to analyze modeling and control law synthesis approaches in order to provide efficient control laws that are stable within the operating range, in response to certain specifications and also taking into account the problem of being industrially applicable. The aim of our research is hence to propose control law synthesis based on formalized {modeling + control} approaches, and adaptable to the operating point change. The exploited principles deal with Sliding Mode Observation and Control on one hand, and with the Passivity theory for control law synthesis coupled with the Immersion and Invariance principle for synthesizing {observers + load estimators} on the other. Also, the ease of implementing and validating the control law structures with common hardware available in the industry has always been a main issue throughout our study. In the view of illustrating the efficacy of the proposed methods, their experimental validation has been carried out on the SEPIC. This type of converter has many advantages compared to other converters. However, despite its advantages, it is still not well-exploited due to the difficulty in obtaining control laws capable of stabilizing its output voltage within a wide operating range.

In a Modular High Temperature Gas Reactor (MHGTR), the Pressurized Conduction Cooldown (PCC) event is an accident scenario in which there is a loss of forced convection of the coolant through the system but the pressure boundary remains intact. When the PCC event occurs, natural circulation onsets which results in a flow and temperature reversal, resulting in hot helium flowing into the upper plenum which could imping upon the upper plenum head. The High Temperature Test Facility (HTTF), which is being designed and constructed at Oregon State University, is a scaled thermal test facility of the MHTGR which is being built for both code validation purposes and to examine specific flow phenomena of the gas reactor. This study is being performed to determine how the HTTF simulates the same conditions as the MHTGR under this scenario through the use of scaling parameters and computational fluid dynamics. / Graduation date: 2013

Cette thèse porte sur la conception de commandes robustes pour les systèmes non linéaires, mettant l'accent sur les systèmes mécaniques. Des résultats concluants sont présentés pour résoudre deux situations très abordées dans la théorie du contrôle : 1) La stabilité des systèmes non linéaires perturbés ; 2) Le suivi global de trajectoire dans les systèmes mécaniques en ayant seulement connaissance de la position. Nous avons commencé par donner une méthode de conception des commandes robustes pour assurer une régulation de sortie non passive. En outre, si le système est perturbé (pas appariés), des preuves rigoureuses pour les rejeter sont fournies. Ce résultat est principalement inspiré d'un changement de coordonnées et de l'action intégrale dynamique. Si le scénario à traiter concerne des systèmes mécaniques avec des perturbations variant dans le temps, nous dotons le système de propriétés comme IISS (Integral Input- State Stable) et ISS (Input-State Stable). Ce résultat est obtenu en modifiant la procédure de conception de manière à rejeter les perturbations constantes (pas appariés). Cependant, en raison de la non-linéarité du système, les commandes qui en résultent ont une grande complexité. Pour le même problème, un deuxième et élégant résultat est donné au cas où un changement préalable de variable (impulsions) est réalisé. Finalement, une réponse convaincante au problème de suivi de trajectoire pour les systèmes mécaniques est donnée en tenant compte uniquement des informations de position. Nous résolvons ce problème en deux étapes. Premièrement, quelques modifications sont apportées à la preuve de stabilité d'un observateur de vitesse basée sur la théorie de l'invariance et l’Immersion récemment publié. Notez que ceci est un observateur satisfaisant la convergence exponentielle de vitesse dans les systèmes mécaniques. Deuxièmement et sur la base du changement de coordonnées (impulsions), un contrôleur de suivi avec stabilité exponentielle, tenant compte de la position et de la vitesse, est proposé. De telle sorte qu'avec la combinaison des deux résultats, le suivi de trajectoire exponentielle avec retour de position est donné. / This thesis focuses on the design of robust control for nonlinear systems, mainly on mechanical systems. The results presented are to two situations widely discussed in control theory: 1) The stability of nonlinear systems disturbed; 2) The global tracking trajectory in mechanical systems having only knowledge of the position. We started giving a design method of robust controls to ensure regulation on non-passive output. In addition, if the system is perturbed (constant unmatched), rigorous proof to its rejection is provided. This result is based mainly on change of coordinates and integral dynamic control. When the scenario to deal are mechanical systems with time-varying matched and unmatched, disturbance, the system is endowed with strong properties as IISS (Integral Input-State Stable) and ISS (Input-State Stable). This is achieved based on the design method to rejection of constant disturbances (unmatched). However, due to the nonlinearity of the system, the controllers have a high complexity. For the same problem, a second and elegant result is given making a initial change of coordinate on the momenta variable, such that the controller significantly simplifies, preserving the aforementioned robustness properties. Finally, a convincing answer to the problem of global exponential tracking of mechanical systems is given taking into account only the position information. We solve this problem in two steps. First, some slight variation is presented to the proof of stability of a speed observer based on Immersion and Invariance theory recently published. Note that this is a speed observer satisfying the exponential convergence speed in mechanical systems. Secondly, and based on the change of coordinates (momenta), a globally exponentially stable tracking controller with position and velocity known is proposed. The combination of both results give the first global exponential tracking controller of mechanical systems without velocity measurements.

Electrical Power System is one of the most complex real time operating systems. It is probably one of the best examples of a large interconnected nonlinear system of varying nature. The system needs to be operated and controlled with component or system problems, often with combinatorial complexity. In addition, time scales of operation and control can vary from milliseconds to minutes to hours. It is difficult to maintain such a system at constant operating condition due to both small and large disturbances such as sudden change in loads, change in network configuration, fluctuations in turbine output, and various types of faults etc. The system is therefore affected by a variety of instability problems. Among all these instability problems one of the important modes of instability is related to dynamic instability or more precisely the small perturbation oscillatory instability. Oscillations of small magnitude and low frequency (in the range of 0.1Hz to 2.5Hz) could persist for long periods, limiting the power transfer capability of the transmission lines. Power System Stabilizers (PSS) were developed as auxiliary controllers on the excitation system to improve the system damping performance by modulating the generator excitation voltage. However, the synthesis of an effective PSS for all operating conditions still remains a difficult and challenging task. The design and tuning of PSS for robust operation is a laborious process. The existing PSS design techniques require considerable expertise, the complete system information and extensive eigenvalue calculations which increases the computational burden as the system size increases. Conventional automatic voltage regulator (AVR) and PSS designs are based on linearized models of power systems which fail to stabilize the system over a wide range of operating conditions. In the last decade or so, a variety of nonlinear control techniques have become available. In this thesis, an attempt is made to explore the suitability of some of these design techniques for designing excitation controllers to enhance small perturbation stability of power systems over a wide range of operating and system conditions. This thesis first proposes a method of designing power system stabilizers based on local measurements alone, in multi-machine systems. Next, a method has been developed to analyze and quantify the small signal performance benefits of replacing the existing AVR+PSS structure with nonlinear voltage regulators. A number of new nonlinear controller designs have been proposed subsequently. These include, (a) a new decentralized nonlinear voltage regulator for multi machine power systems with a single tunable parameter that can achieve effective trade of between both the voltage regulation and small signal objectives, (b) a decentralized Interconnection and Damping Assignment Passivity Based Controller in addition to a proportional controller that can achieve all the requirements of an excitation system and (c) a Nonlinear Quadratic Regulator PSS using Single Network Adaptive Critic architecture in the frame work of approximate dynamic programming. Performance of all the proposed controllers has been analyzed using a number of multi machine test systems over a range of operating conditions.

Le régulateur PID (Proportionnel-Intégral-Dérivée) est la commande par retour d'état la plus connue. Elle permet d'aborder un bon nombre de problèmes de commande, particulièrement pour des systèmes faiblement non linéaire et dont la performance requise est relativement modeste. En plus, en raison de sa simplicité, la commande PID est largement utilisée en l'industrie. Étant donnés que les méthodes de réglage de la commande PID sont basées sur la linéarisation, la synthèse d'un contrôleur autour d'un point d'équilibre est relativement simple, néanmoins, la performance sera faible dans des modes de fonctionnement loin du point d'équilibre. Pour surmonter ce désavantage, une pratique courante consiste en adapter les gains du PID, procédure connue sous le nom de séquencement de gain (ou gain-scheduling en anglais). Il y a plusieurs désavantages à cette procédure, comme la commutation des gains de la commande et la définition -non triviale- des régions de l'espace d'état dans lesquelles cette commutation aura lieu. Ces deux problèmes se compliquent quand la dynamique est fortement non linéaire. Dans d'autres méthodes, la synthèse de la commande utilise des schémas empiriques, ce qui ne permet pas l'analyse de la stabilité globale du processus. Dans ce contexte, ce travail de thèse a pour objectif de synthétiser des contrôleurs PI, basés sur la passivité, de telle sorte que la stabilité globale du système en boucle fermé soit garantie. L'un des avantages à utiliser la passivité est son attrait intuitif, qui exploite les propriétés physique des systèmes. L'idée centrale dans un système passive est que l'écoulement d'énergie entrante au système provenant de l'extérieur n'est pas inférieur à l'incrément de son énergie de stockage. Par conséquence, ces systèmes ne peuvent pas stocker plus d'énergie que celle fournie, dont la différence correspond à l'énergie dissipée. En introduisant le concept d'énergie, cette méthodologie nous permet de formuler le problème de commande en celui de trouver un système dynamique dont la fonction de stockage d'énergie prend la forme désirée. En incorporant le concept d'énergie cette méthode devient accessible à la communauté de praticiens et permets de fournir des interprétations physique de l'action de commande. Dans cette thèse, une méthodologie constructive de commande PI basée sur la passivité est présentée et motivée par des applications à des systèmes physiques. / One of the best known forms of feeding back a system is through a three-term control law called PID (Proportional-Integral-Derivative) controller. PID controllers are sufficient for many control problems, particularly when process dynamics are not highly nonlinear and the performance requirements are modest. Besides, because of its simple structure, the PID controller is the most adopted control scheme by industry and practitioners, beeing the PI the form mostly employed. Since the PI tuning methods are based on the linearization, commissioning a PI to operate around a single operating point is relatively easy, however, the performance will be below par in wide operating regimes. To overcome this drawback the current practice is to re-tune the gains of the PI controllers based on a linear model of the plant evaluated at various operating points, a procedure known as gain-scheduling. There are several disadvantages of gain-scheduling including the need to switch (or interpolate) the controller gains and the non-trivial definition of the regions in the plants state space where the switching takes place - both problems are exacerbated if the dynamics of the plant is highly nonlinear. In other common scenarios, a little information about the process dynamics or only a "good" linear approximation is taken into account when designing the control design. This impedes to analyse the global stability of the system. In this context, the current thesis work is aimed at the designing of PI controllers, based on the passivity theory, such that the stability of the closed-loop system is guarantied. One of the main advantages of passivity concepts is that they offer a physical and intuitive appeal. The primary idea in passive systems is that the power flowing into the system is not less that the increase of storage. Thus, they cannot store more energy than is supplied to it from the outside, with the difference being the dissipated energy. Thus, introducing the concept of energy, this methodology allows to recast the control problem as finding a dynamical system such that system energy function takes the desired form. Also, with this formulation, the communication between practitioners and control theorists is facilitated, incorporating prior knowledge of the system and providing physical interpretations of the control action. In this thesis, a constructive methodology for deriving PI passivity-based controllers is presented and motivated by the application to physical systems.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία προσομοιώθηκε, μέσω του προγράμματος Matlab και συγκεκριμένα μέσω της εργαλειοθήκης Simulink, ένα υβριδικό μικροδίκτυο το οποίο αποτελούνταν από μια φωτοβολταϊκή διάταξη των 85W, ένα συσσωρευτή ιόντων-λιθίου (Liion battery), δυο DC-DC μετατροπείς και ένα R-L φορτίο. Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκαν 4 διαφορετικές τεχνικές ελέγχου σε 2 σημεία, έναν στην πλευρά του φωτοβολταϊκού και έναν στην πλευρά της μπαταρίας. Ο έλεγχος στην πλευρά του φωτοβολταϊκού στόχευε το ρεύμα του φωτοβολταϊκού κάθε χρονική στιγμή να έχει την κατάλληλη τιμή προκειμένου να επιτυγχάνεται η μέγιστη ισχύς μέσω σημείου απόδοσης της μέγιστης ισχύος (MPPT). Ο έλεγχος στην πλευρά της μπαταρίας έχει ως σκοπό την διατήρηση της τάσης του φορτίου στα 100 V.(Vload_reference=100V). Οι έλεγχοι που πραγματοποιήθηκαν ήταν με χρήση PI ελεγκτών, έλεγχοι εκμεταλλευόμενοι την παθητικότητα του Euler-Lagrange συστήματος (PBC), με χρήση ασαφών (fuzzy) ελεγκτών και με χρήση νευρο-ασαφών (neuro-fuzzy) ελεγκτών. / In this diploma thesis a DC hybrid microgrid was simulated by using the program Matlab and specifically the toolbox Simulink. The microgrid consists of a photovoltaic array, a Li-ion battery storage, two DC-DC converters and an R-L load. Four different control methods were then applied to our system in 2 places, one on the photovoltaic array and one on the battery. The one on the photovoltaic array aimed that the PV current would be such that every time the maximum power from the PV would be achieved through a maximum power point tracker. The one on the battery has the purpose of maintaining the load voltage at 100 Volts. The control methods which were implied were PI controllers, passivity based control, fuzzy controllers and neuro-fuzzy controllers.

Ce mémoire présente le travail de recherche effectué pour la conception d'une stratégie de commande originale, destinée aux systèmes de puissance hybrides en sites isolés. Le système considéré, voué à l'alimentation électrique d'une habitation, comprend deux sources, un groupe de panneaux photovoltaïques et une petite éolienne, et deux types de stockage, un banc de batteries lithium-ion et un de supercondensateurs. Face au problème de gestion de l'énergie dans un système hybride, et aux enjeux de maximisation de sa puissance produite, nous proposons de développer une stratégie de commande basée sur les flux d'énergie. pour cela, nous présentons dans un premier temps les modélisations d'Euler-Lagrange et hamiltonienne du système. Ces modèles permettent d'utiliser la propriété de passivité de celui-ci, et ainsi de synthétiser des commandes par injection d'amortissement pour chaque source, afin de maximiser sa production, et pour les supercondensateurs, dans le but d'assurer une répartition cohérente des flux d'énergie entre eux et les batteries. Les commandes sont finalement mises en œuvre dans un simulateur, puis dans un banc d'essai expérimental, afin d'une part de comparer leurs performances à celles de solutions préexistantes, et d'autre part de valider le bon fonctionnement du système hybride complet les utilisant. / This thesis presents the research about design of a new control strategy for stand-alone hybrid power systems. The considered system is composed of two sources, a group of photovoltaic panels and a low-power wind generator, and of two kinds of storage, a bank of lithium-ion batteries and one of supercapacitors. Faced with the problem of energy management in a hybrid power system, and with necessity of maximizing the produced power, we intend to develop an energy-based control strategy.For this purpose, we present the system's Euler-Lagrange modeling and Hamiltonian modeling. These models allow the use of the passivity property, and then the design of Passivity-Based Controllers for each source, in order to maximize its production, and for the supercapacitors, to ensure a fitted power sharing between batteries and them. The controllers are finally implemented in a simulator, and then in a experimental test bench, in order to compare their performances to pre-existent solutions, and tovalidate the control law for the global hybrid system.