Motivée par les travaux précédents sur la stabilisation de systèmes à excitation persistante, cette thèse s'intéresse à la stabilité et à la stabilisation de systèmes linéaires à commutation en dimensions finie et infinie. Après une introduction générale présentant les principales motivations et les résultats importants de la littérature, on aborde quatre sujets.On commence par l'étude d'un système linéaire en dimension finie à commutation aléatoire. Le temps passé en chaque sous-système $i$ est choisi selon une loi de probabilité ne dépendant que de $i$, les commutations entre sous-systèmes étant déterminées par une chaine de Markov discrète. On caractérise les exposants de Lyapunov en appliquant le Théorème Ergodique Multiplicatif d'Oseledets à un système associé en temps discret, et on donne une expression pour l'exposant de Lyapunov maximal. Ces résultats sont appliqués à un système de contrôle à commutation. Sous une hypothèse de contrôlabilité, on montre que ce système peut être stabilisé presque surement avec taux de convergence arbitraire, ce qui est en contraste avec les systèmes déterministes à excitation persistante.On considère ensuite un système de $N$ équations de transport avec amortissement interne à excitation persistante, couplées linéairement par le bord à travers une matrice $M$, ce qui peut être vu comme un système d'EDPs sur un réseau étoilé. On montre que, si l'activité de l'amortissement intermittent est déterminée par des signaux à excitation persistante, alors, sous des bonnes hypothèses sur $M$ et sur la rationalité des rapports entre les longueurs des arêtes du réseau, ce système est exponentiellement stable, uniformément par rapport aux signaux à excitation persistante. Ce résultat est montré grâce à une formule explicite pour les solutions du système, qui permet de bien suivre les effets de l'amortissement intermittent.Le sujet suivant que l'on considère est le comportement asymptotique d'équations aux différences non-autonomes. On obtient une formule explicite pour les solutions en termes des conditions initiales et de certains coefficients matriciels dépendants du temps, qui généralise la formule obtenue pour le système de $N$ équations de transport. Le comportement asymptotique des solutions est caractérisé à travers les coefficients matriciels. Dans le cas d'équations aux différences à commutation arbitraire, on obtient un résultat de stabilité qui généralise le critère de Hale--Silkowski pour les systèmes autonomes. Grâce à des transformations classiques d'EDPs hyperboliques en équations aux différences, on applique ces résultats au transport et à la propagation d'ondes sur des réseaux.Finalement, la formule explicite précédente est généralisée à une équation aux différences contrôlée, dont la contrôlabilité est alors analysée. La contrôlabilité relative est caractérisée à travers un critère algébrique sur les coefficients matriciels de la formule explicite, ce qui généralise le critère de Kalman. On compare également la contrôlabilité relative pour des retards différents en termes de leur structure de dépendance rationnelle, et on donne une borne sur le temps minimal de contrôlabilité. Pour des systèmes avec retards commensurables, on montre que la contrôlabilité exacte est équivalente à l'approchée et on donne un critère qui les caractérise. On analyse également la contrôlabilité exacte et approchée de systèmes en dimension $2$ avec deux retards sans l'hypothèse de commensurabilité. / Motivated by previous work on the stabilization of persistently excited systems, this thesis addresses stability and stabilization issues for linear switched systems in finite and infinite dimensions. After a general introduction presenting the main motivations and important results from the literature, we analyze four problems.The first system we study is a linear finite-dimensional random switched system. The time spend on each subsystem $i$ is chosen according to a probability law depending only on $i$, and the switches between subsystems are determined by a discrete Markov chain. We characterize the Lyapunov exponents by applying Oseledets' Multiplicative Ergodic Theorem to an associated discrete-time system, and provide an expression for the maximal Lyapunov exponent. These results are applied to a switched control system, showing that, under a controllability hypothesis, almost sure stabilization can be achieved with arbitrarily large decay rates, a situation in contrast to deterministic persistently excited systems.We next consider a system of $N$ transport equations with intermittent internal damping, linearly coupled by their boundary conditions through a matrix $M$, which can be seen as a system of PDEs on a star-shaped network. We prove that, if the activity of the intermittent damping terms is determined by persistently exciting signals, then, under suitable hypotheses on $M$ and on the rationality of the ratios between the lengths of the network edges, such system is exponentially stable, uniformly with respect to the persistently exciting signals. The proof of this result is based on an explicit representation formula for the solutions of the system, which allows one to efficiently track down the effects of the intermittent damping.The following topic we address is the asymptotic behavior of non-autonomous difference equations. We obtain an explicit representation formula for their solutions in terms of their initial conditions and some time-dependent matrix coefficients, which generalizes the one for the system of $N$ transport equations. The asymptotic behavior of solutions is characterized in terms of the matrix coefficients. In the case of difference equations with arbitrary switching, we obtain a stability result which generalizes Hale--Silkowski criterion for autonomous systems. Using classical transformations of hyperbolic PDEs into difference equations, we apply our results to transport and wave propagation on networks.Finally, we generalize the previous representation formula to a controlled difference equation, whose controllability is then analyzed. Relative controllability is characterized in terms of an algebraic property on the matrix coefficients from the explicit formula, generalizing Kalman criterion. We also compare the relative controllability for different delays in terms of their rational dependence structure, and provide a bound on the minimal controllability time. Exact and approximate controllability for systems with commensurable delays are characterized and proved to be equivalent. We also describe exact and approximate controllability for two-dimensional systems with two delays not necessarily commensurable.

The author proposes a novel functional regression method for parameter estimation and adaptive control in this dissertation. In the functional regression method, the regressors and a signal which contains the information of the unknown parameters are either determined from raw measurements or calculated as the functions of the measurements. The novel feature of the method is that the algorithm maps the regressors to the functionals which are represented in terms of customized test functions. The functionals are updated continuously by the evolution laws, and only an infinite number of variables are needed to compute the functionals. These functionals are organized as the entries of a matrix, and the parameter estimates are obtained using either the generalized inverse method or the transpose method. It is shown that the schemes of some conventional adaptive methods are recaptured if certain test function designs are employed. It is proved that the functional regression method guarantees asymptotic convergence of the parameter estimation error to the origin, if the system is persistently excited. More importantly, in contrast to the conventional schemes, the parameter estimation error may be expected to converge to the origin even when the system is not persistently excited. The novel adaptive method are also applied to the Model Reference Adaptive Controller (MRAC) and adaptive observer. It is shown that the functional regression method ensures asymptotic stability of the closed loop systems. Additionally, the studies indicate that the transient performance of the closed loop systems is improved compared to that of the schemes using the conventional adaptive methods. Besides, it is possible to analyze the transient responses a priori of the closed loop systems with the functional regression method. The simulations verify the theoretical analyses and exhibit the improved transient and steady state performances of the closed loop systems. / Ph. D.

Les résultats présentés dans cette thèse s’articulent autour de la synthèse d’observateurs de type grand gain pour des classes de systèmes non linéaires multi-entrées, multi-sorties non uniformément observables. Dans un premier temps, la classe de systèmes considérées est telle que la dynamique des variables d’état est décrite par la somme de deux termes. Le premier correspond à une partie affine en l’état décrite par le produit d’une matrice, dont les entrées (fonctions non linéaires de l’état) ont une structure triangulaire, par le vecteur d’état. Le deuxième terme est composé par les non linéarités du système qui ont aussi une structure triangulaire. Le gain de l’observateur proposé est issu de la résolution d’une équation différentielle ordinaire de type Lyapunov.La convergence exponentielle de l’erreur d’observation sous-jacente est établie sous une une certaine condition d’excitation persistante dépendant de l’entrée du système et de l’état de l’observateur.Dans un deuxième temps, la synthèse de cet observateur est étendue à une classe plus large de systèmes non linéaires où des états peuvent intervenir de manière non triangulaire.La notion d’indices caractéristiques associés à ces états est alors introduite et elle a permis de définir une structure triangulaire étendue pour la quelle la synthèse de l’observateur a aussi été effectuée.Enfin, il a été établi que les observateurs proposés peuvent être utiliséscomme observateurs adaptatifs pour l’estimation simultanée de l’état et de certains paramètres et une forme adaptative de ces observateurs a été générée.Les performances des différents observateurs proposés ont été illustrées à travers des exemples en simulation / The results given in this thesis deal with the design of high gain observers for some classes on Multi Input Multi Output non uniformly observable nonlinear systems. In a first step, the class of considered systems is such that the dynamics of the state variables is the sum of two terms. The first term is affine in the state and is composed by the product of a matrix, whose entries are nonlinear functions of the state with a triangular structure, by the state vector. The second term describes the system nonlinearities which also assume a triangular structure. The gain of the proposed observer is issued from the resolution of a Lyapunov ordinary differential equation. The exponential convergence of the underlying observation error is established under a persistent excitation condition involving the system inputs and the state of the observer. In a second step, the observer design has been extended to a larger class of nonlinear systems where some state variables may intervene in a non triangular way. The notion of the characteristic indices associated to these state variables is then introduced and it allowed to define an extended triangular structure for which a high gain observer has been designed. Finally, it has been established that the proposed observers can be used as adaptive ones to jointly estimate the system state together with some unknown parameters and an adaptive form of these observers has been derived. The performance and main properties of the proposed observers have been illustrated in simulation by considering many examples throughout this thesis.

Les résultats présentés dans cette thèse s’articulent autour de la synthèse d’observateurs de type grand gain pour des classes de systèmes non linéaires. Une classe de systèmes multi-entrées/multi-sorties non uniformément observables a tout d’abord été considérée et un observateur dont le gain est issu de la résolution d’une équation différentielle ordinaire de Lyapunov a été proposé. La convergence exponentielle de l’erreur d’observation sous-jacente a été établie sous une condition d’excitation persistante bien appropriée. La synthèse de l’observateur proposé a été ensuite reconsidérée pour prendre en compte l’échantillonnage et la présence de retard sur la sortie. L’observateur résultant de la resynthèse a une structure en cascade avec des systèmes en chaîne où le premier système de la cascade estime l’état retardé tandis que l’état du dernier système est une estimation de l’état instantané du système. La deuxième classe de systèmes considérée dans cette thèse est une forme normale observable multi-sorties comportant des incertitudes et dont la sortie est échantillonnée et retardée. Un observateur en cascade a été proposé pour l’estimation de l’état instantané du système. Les performances des différents observateurs proposés ont été illustrées à travers plusieurs exemples en simulation tout au long de de la thèse. / The results given in this thesis deal with the design of high gain observers forsome classes on nonlinear systems. A class of multi-inputs/multi-output non uniformlyobservable systems has been first considered and an observer the gain of which is issuedfrom the resolution of a Lyapunov ordinary differential equation has been proposed. Theexponential convergence of the underlying observation error has been established underan appropriate persistent excitation condition. The design of the proposed observerhas then been reconsidered in order to account for the sampling and delay processeswhich may occur on the output. The redesigned observer assumes a cascade structurewith chained systems where the head of the cascade is an observer for the delayedstate while the state of the last system in the cascade constitutes an estimation ofthe system actual state. The second class of systems considered in this thesis is amulti-outputs observable normal form involving some uncertainties and with a delayedsampled output. A cascade observer allowing the estimation of the system actual statehas been proposed. The performance and main properties of the proposed observershave been illustrated in simulation by considering many examples throughout thisthesis.