Dans cette thèse, on a surtout étudié le caractère bien posé pour des équations aux dérivées partielles et des problèmes de contrôle optimal. On a étudié les problèmes de Cauchy associés à des lois de conservation hyperboliques avec des vitesses non locales, pour un modèle 1D (système de fabrication industrielle), puis 2D (processus de sélection folliculaire). Dans les deux cas, on montre l'existence et l'unicité de solutions des problèmes de Cauchy, en utilisant le théorème du point fixe de Banach. On a étudié par la suite des problèmes de contrôle optimal, d'abord sur le modèle 2D, puis sur un modèle basé sur des équations differentielles ordinaires (amplification de protéines mal repliées). Dans le premier modèle, on montre que les contrôles optimaux sont bang-bang avec un seul instant de commutation. Dans le second modèle, les contrôles optimaux sont relaxés, nous déterminons leur positionnement dans l'espace des contrôles admissibles.

Le premier chapitre de ce mémoire porte sur l'étude des minimum forts pour des problèmes de contrôle optimal gouvernés par des EDP semi-linéaires elliptiques et paraboliques avec contraintes intégrales sur l'état final. Le second chapitre porte sur l'étude du problème de temps minimal pour un système de type chemostat en présence de points singuliers stationnaires. On y étudie également un problème de contrôle optimal pour un système chemostat avec deux espèces en compétition et qui comporte une courbe de non-contrôlabilité. Le troisième chapitre s'intéresse à la synthèse d'un contrôle optimal par retour d'état pour un problème de temps minimal issu d'un système fed-batch, notamment en présence d'un contrôle impulsionnel. Le quatrième chapitre étudie deux problèmes de contrôle optimal sous contraintes d'état périodiques. Enfin, le dernier chapitre traite de problèmes d'optimisation de forme géométriques sous contraintes de convexité. Cette dernière est formulée comme une contrainte semi-définie, ce qui permet ensuite d'utiliser la programmation SDP pour minimiser la fonction coût.

La propulsion des véhicules électriques hybrides parallèles est généralement assurée par un moteur à combustion interne combiné à une machine électrique réversible. Les flux de puissance entre ces deux organes de traction sont déterminés par un algorithme de supervision, qui vise à réduire la consommation de carburant et éventuellement les émissions de certains polluants. Dans la littérature, la théorie de la commande optimale est maintenant reconnue comme étant un cadre puissant pour l'élaboration de lois de commande pour la gestion énergétique des véhicules full-hybrides. Ces stratégies, dénommée " Stratégies de Minimisation de la Consommation Equivalente " (ECMS) sont basée sur le principe du Maximum de Pontryagin. Pour démontrer l'optimalité de l'ECMS, on doit supposer que les limites du système de stockage ne sont pas atteintes durant le cycle de conduite. Il n'est plus possible de faire cette hypothèse lorsque l'on considère les véhicules micro et mild hybrides étudiés dans cette thèse car la variable d'état atteint généralement plusieurs fois les bornes. Des outils mathématiques adaptés à l'étude des problèmes de commande avec contraintes sur l'état sont présentés et appliqués à deux problèmes en lien avec la gestion énergétique. Le premier problème consiste à déterminer le profil optimal de la tension aux bornes d'un pack d'ultra-capacités. Le second problème se concentre sur un système électrique intégrant deux stockeurs. L'accent est mis sur l'étude des conditions d'optimalités valables lorsque les contraintes sur l'état sont actives. Les conséquences de ces conditions pour la commande en ligne sont mises en avant et exploitées afin de concevoir une commande en temps réel. Les performances sont évaluées à l'aide d'un prototype. Une comparaison avec une approche de type ECMS plus classique est également présentée.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / In recent years Lithium-Ion battery as an alternate energy source has gathered lot of importance in all forms of energy requiring applications. Due to its overwhelming benefits over a few disadvantages Lithium Ion is more sought of than any other Battery types. Any battery pack alone cannot perform or achieve its maximum capacity unless there is some robust, efficient and advanced controls developed around it. This control strategy is called Battery Management System or BMS. Most BMS performs the following activity if not all Battery Health Monitoring, Temperature Monitoring, Regeneration Tactics, Discharge Profiles, History logging, etc. One of the major key contributor in a better BMS design and subsequently maintaining a better battery performance and EUL is Regeneration Tactics. In this work, emphasis is laid on understanding the prevalent methods of regeneration and designing a new strategy that better suits the battery performance. A performance index is chosen which aims at minimizing the effort of regeneration along with a minimum deviation from the rated maximum thresholds for cell temperature and regeneration current. Tuning capability is provided for both temperature deviation and current deviation so that it can be tuned based on requirement and battery chemistry and parameters. To solve the optimization problem, Pontryagin's principle is used which is very effective for constraint optimization with both state and input constraints. Simulation results with different sets of tuning shows that the proposed method has a lot of potential and is capable of introducing a new dynamic regeneration tactic for Lithium Ion cells. With the current optimistic results from this work, it is strongly recommended to bring in more battery constraints into the optimization boundary to better understand and incorporate battery chemistry into the regeneration process.

Cette thèse est une contribution au calcul des variations et à la théorie du contrôle optimal dans les cadres discret, plus généralement time scale, et fractionnaire. Ces deux domaines ont récemment connu un développement considérable dû pour l’un à son application en informatique et pour l’autre à son essor dans des problèmes physiques de diffusion anormale. Que ce soit dans le cadre time scale ou dans le cadre fractionnaire, nos objectifs sont de : a) développer un calcul des variations et étendre quelques résultats classiques (voir plus bas); b) établir un principe du maximum de Pontryagin (PMP en abrégé) pour des problèmes de contrôle optimal. Dans ce but, nous généralisons plusieurs méthodes variationnelles usuelles, allant du simple calcul des variations au principe variationnel d’Ekeland (couplé avec la technique des variations-aiguilles), en passant par l’étude d’invariances variationnelles par des groupes de transformations. Les démonstrations des PMPs nous amènent également à employer des théorèmes de point fixe et à prendre en considération la technique des multiplicateurs de Lagrange ou encore une méthode basée sur un théorème d’inversion locale conique. Ce manuscrit est donc composé de deux parties : la Partie 1 traite de problèmes variationnels posés sur time scale et la Partie 2 est consacrée à leurs pendants fractionnaires. Dans chacune de ces deux parties, nous suivons l’organisation suivante : 1. détermination de l’équation d’Euler-Lagrange caractérisant les points critiques d’une fonctionnelle Lagrangienne ; 2. énoncé d’un théorème de type Noether assurant l’existence d’une constante de mouvement pour les équations d’Euler-Lagrange admettant une symétrie ; 3. énoncé d’un théorème de type Tonelli assurant l’existence d’un minimiseur pour une fonctionnelle Lagrangienne et donc, par la même occasion, d’une solution pour l’équation d’Euler-Lagrange associée (uniquement en Partie 2) ; 4. énoncé d’un PMP (version forte en Partie 1, version faible en Partie 2) donnant une condition nécessaire pour les trajectoires qui sont solutions de problèmes de contrôle optimal généraux non-linéaires ; 5. détermination d’une condition de type Helmholtz caractérisant les équations provenant d’un calcul des variations (uniquement en Partie 1 et uniquement dans les cas purement continu et purement discret). Des théorèmes de type Cauchy-Lipschitz nécessaires à l’étude de problèmes de contrôle optimal sont démontrés en Annexe. / This dissertation deals with the mathematical fields called calculus of variations and optimal control theory. More precisely, we develop some aspects of these two domains in discrete, more generally time scale, and fractional frameworks. Indeed, these two settings have recently experience a significant development due to its applications in computing for the first one and to its emergence in physical contexts of anomalous diffusion for the second one. In both frameworks, our goals are: a) to develop a calculus of variations and extend some classical results (see below); b) to state a Pontryagin maximum principle (denoted in short PMP) for optimal control problems. Towards these purposes, we generalize several classical variational methods, including the Ekeland’s variational principle (combined with needle-like variations) as well as variational invariances via the action of groups of transformations. Furthermore, the investigations for PMPs lead us to use fixed point theorems and to consider the Lagrange multiplier technique and a method based on a conic implicit function theorem. This manuscript is made up of two parts : Part A deals with variational problems on time scale and Part B is devoted to their fractional analogues. In each of these parts, we follow (with minor differences) the following organization: 1. obtaining of an Euler-Lagrange equation characterizing the critical points of a Lagrangian functional; 2. statement of a Noether-type theorem ensuring the existence of a constant of motion for Euler-Lagrange equations admitting a symmetry;3. statement of a Tonelli-type theorem ensuring the existence of a minimizer for a Lagrangian functional and, consequently, of a solution for the corresponding Euler-Lagrange equation (only in Part B); 4. statement of a PMP (strong version in Part A and weak version in Part B) giving a necessary condition for the solutions of general nonlinear optimal control problems; 5. obtaining of a Helmholtz condition characterizing the equations deriving from a calculus of variations (only in Part A and only in the purely continuous and purely discrete cases). Some Picard-Lindelöf type theorems necessary for the analysis of optimal control problems are obtained in Appendices.

Title: Homotopic structures in algebra, geometry and mathematical physics Author: Eva Černohorská Department: Mathematical Institute of Charles University Supervisor: RNDr. Martin Markl, DrSc., Institute of Mathematics of the Academy of Sciences of the Czech Republic, Mathematical Institute of Charles University Abstract: The aim of this thesis was to generalize the result that associative algebras on finite dimensional vector spaces can be described using differentials on free algebras. This result is limited by the duality of vector spaces. If we assume that the underlying space has a linear topology, then we can use the duality between discrete and linearly compact (profinite) vector spaces. To generalize the notion of an algebra, we need to recall the completed tensor product on linear vector spaces. Since this topics does not seem to be sufficiently covered by the literature, this thesis could serve also as a comprehensive text on linear vector spaces and their completed tensor products. We prove that also A∞ structures on linearly compact vector spaces could be represented by differentials on a free algebra. Keywords: Strongly homotopy associative algebra, linear topological vector space, Pontryagin duality, completed tensor product, differential

Este trabalho aplica o Método Indireto da Colocação para resolver numericamente Problemas de Valor de Contorno resultantes da aplicação da teoria controle ótimo ao problema de otimização de trajetórias de aeronaves. Uma extensão da implementação do método foi desenvolvida para incluir condições de contorno interiores, que surgem quando restrições são atingidas ao longo da trajetória, resultando num Problema de Valor de Contorno em Múltiplos Pontos (PVCMP). Quatro estudos de caso foram resolvidos numericamente para testar o método em questão e analisar as suas vantagens e limitações. Dois desses estudos de caso possuem documentados na literatura a solução numérica pelo Método Indireto dos Múltiplos Tiros, que é um dos métodos mais difundidos para resolver problemas de controle ótimo com restrições. Assim, também foi possível comparar as soluções de ambos os métodos e constatar na prática as vantagens e desvantagens de um em relação ao outro.

Ce mémoire est centré sur l'optimisation dynamique de mouvements de systèmes articulés plans travaillant en boucle fermée. L'application visée est l'optimisation de pas de marche de robots bipèdes. La première partie est consacrée au développement de modèles dynamiques de systèmes bouclés adaptés au problème de l'optimisation lorsqu'on fait appel au principe du maximum de Pontryagin. Le problème d'optimisation est traité dans la deuxième partie. La démarche utilisée consiste à ouvrir la chaîne au niveau d'une liaison bien choisie et à traiter les efforts de liaison comme des efforts de commande complémentaires. La condition de fermeture de la chaîne est alors considérée comme une contrainte du problème d'optimisation et est traitée par une méthode de pénalité. Le troisième chapitre contient des simulations numériques relatives à des mécanismes plans suractionnés de type robots parallèles. Les principaux résultats concernent l'optimisation de pas de marche de bipèdes plans à pattes bisegmentaires et trisegmentaires.

Dans le contexte automobile actuel, étroitement lié à la volonté de réduire les émissions de CO2 dans l'atmosphère, les véhicules hybrides demeurent un passage obligé à court et moyen terme. Un véhicule hybride possède deux sources d'énergie pour assurer sa propulsion : en général un moteur thermique constitue la principale source d'énergie, tandis qu'un moteur électrique représente la source secondaire. La capacité d'un véhicule hybride à consommer moins de carburant, et à rejeter moins de CO2, provient de la présence du moteur électrique. Celui-ci peut être utilisé soit conjointement avec le moteur thermique, soit seul, aucun carburant n'étant alors consommé. La présence de ces deux sources d'énergie impose au système global d'être régi par une stratégie de contrôle déterminant la répartition du couple entre les deux moteurs en fonction de l'état de charge de la batterie. Cette répartition peut être déterminée pour être optimale vis-à-vis de critères tels que la consommation de carburant, les émissions de polluants, etc. L'objectif de la thèse est de développer des méthodes d'optimisation de la répartition de couple entre les deux moteurs d'un véhicule hybride, dans l'objectif de minimiser les émissions de CO2. Une première étape a consisté à développer des modèles représentatifs d'une architecture type adaptés aux types d'optimisation réalisée. Les algorithmes d'optimisation diffèrent selon qu'ils soient capables de traiter des problèmes hors-ligne, ou temps-réel. Parmi les algorithmes d'optimisation hors-ligne étudiés, la programmation dynamique a été utilisée pour déterminer le dimensionnement optimal des éléments principaux d'une architecture hybride, et en déterminer le gain théorique par rapport à une motorisation traditionnelle. Par ailleurs, un algorithme de tir original nommé SCOP a été développé, celui-ci permettant de traiter des problèmes de commande optimale avec contraintes sur l'état, tout en multipliant les performances par 50 par rapport à la méthode de programmation dynamique. Une stratégie de contrôle temps-réel, basée sur l'Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) utilisant le principe de Pontryagin, a été développée et implémentée sur un prototype de véhicule hybride, une Smart équipée d'un alterno-démarreur. Les résultats obtenus démontrent de l'action de la stratégie pour la réduction de la consommation de carburant et des émissions de CO2.

La presente memoria se enmarca dentro del estudio de las relaciones topológicas entre dos espacios topológicos Hausdorff que pueden deducirse de las vinculaciones algebraicas, topológicas o de otra clase entre los correspondientes grupos de funciones continuas evaluadas en un grupo topológico, siguiendo la línea del Teorema clásico de Banach-Stone. Ponemos especial atención en la representación de aplicaciones entre grupos de funciones continuas de un espacio topológico en el grupo topológico T, la circunferencia unidad del plano complejo, y también entre grupos de funciones continuas de un grupo topológico en el mismo grupo T, para después enfocar el problema desde el punto de vista de las C*-álgebras de grupo. Con el mismo fin, estudiamos ciertos homomorfismos entre grupos de funciones continuas evaluadas en un grupo topológico G y se dan resultados de continuidad automática. En el trabajo, se utilizan técnicas de la dualidad de Pontryagin, de grupos topológicos y del análisis funcional para llevar a cabo estos objetivos.