Le travail présenté dans ce document consiste en une approche de test fonctionnel, destinée à per- mettre la validation de systèmes hybrides pour lesquels on dispose d'une spécification composée de propriétés de sûreté. La validation consiste à vérifier que le système satisfait à sa spécification, et donc aux besoins qui motivent sa création (sous réserve que la spécification traduise correctement les besoins).

Notre travail de recherche concerne l'étude de la commande à base de modèles pour une sous-classe de systèmes dynamiques hybrides (SDH). L'outil de modélisation choisi est l'automate hybride rectangulaire (AHR) pour sa puissance d'analyse. Nous proposons ainsi une méthode pour la synthèse de la commande des SDH modélisés par des AHR. Cette méthode repose sur l'application d'une procédure amont/aval de commande hors-ligne qui détermine d'une façon maximale permissive les nouvelles gardes de transition de l'automate respectant des spécifications de commande imposées par l'utilisateur. Tous les calculs réalisés reposent sur la détermination de la durée de séjour, valeur contrainte par l'espace atteignable du sommet correspondant. La garde portant à la fois sur l'état continu et sur l'événement discret, la commande se fait par ce dernier car il s'agit du seul élément contrôlable. Nous nous intéressons alors à la construction du contrôleur temporisé autorisant l'occurrence des événements contrôlables du système dans un intervalle d'horloge défini au sens de la maximale permissivité.

Les avancées des dernières décennies dans le domaine de l'électronique ont permis l'intégration plus facile des dispositifs de commande à base de convertisseur sur un plus grand nombre d'applications. L'utilisation de ces dispositifs de commande offre des avantages importants au niveau du dimensionnement et de l'efficacité énergétique, mais, en contrepartie, leur modèle dynamique présente une complexité accrue en particulier à cause des dynamiques hétérogènes des différents composants. Ainsi, en général, on retrouve une dynamique très rapide liée au changement de fonctionnement des composants et une dynamique du reste du système plus lente par rapport à la première.<br />Les travaux de cette thèse abordent les problèmes de la modélisation hybride de ce type de systèmes. Un des points importants des travaux effectués est la mise en place d'en ensemble d'outils et de méthodes permettant d'obtenir un modèle automate hybride équivalent d'un système physique avec des interrupteurs. Dans l'approche proposée l'automate hybride est obtenu par la composition des équations du système issues de l'approche bond-graph commuté et des contraintes introduites par les interrupteurs.<br />La méthodologie proposée est ensuite utilisée pour définir un modèle de simulation sous Simulink.<br />Le problème de la commande est abordé dans le cadre particulier du démarrage d'un convertisseur à double résonance issu d'une application en imagerie médicale.

Nous proposons une méthodologie de conception pour les systèmes de commande tolérants aux fautes en partant d’un modèle de base exhaustif pour le système complexe à superviser. En pratique, la modélisation exhaustive est réalisée grâce à un automate hybride enrichi par des paramètres quantifiant les défaillances possibles. Ceci permet de modéliser les défaillances partielles. Dans la phase hors ligne, ce système complexe est transformé en un système discret abstrait et exploitable selon des techniques dédiées. Un superviseur est alors construit selon les objectifs de fonctionnement.Lors du fonctionnement du système, l’occurrence d’une défaillance se traduit par l’invalidation de plusieurs comportements dans le modèle abstrait et l’introduction d’incertitudes. Par la suite, les modules de diagnostic et d’identification (qui ne rentrent pas dans l’objet de notre thèse) réduisent de façon progressive le modèle hybride au cours du temps. Afin de pouvoir mettre à jour le modèle discret abstrait, on a développé des algorithmes de calcul d’atteignabilité, de vérification et de génération de régions stabilisées.Pour pouvoir superviser un tel système, l’utilisation de méthodologies d’abstraction est nécessaire afin de transformer le modèle bas niveau exhaustif en un modèle discret approprié. Nous réalisons cette abstraction en proposant des algorithmes qui tiennent compte du contexte d’utilisation (objectifs, contraintes…). Lorsqu’une défaillance est détectée, la reconfiguration est déclenchée en essayant, au fur et à mesure de l’enrichissement du modèle abstrait, de réduire le fonctionnement du système défaillant dans un des schémas prédéfinis / We propose a methodology for the design of fault tolerant control systems for the supervision of complex systems. First, the system is exhaustively described through a hybrid automaton which is enriched with parameters that quantifies the possible complete or partial faults. In the offline stage, the complex system is abstracted into a useful discrete event system with dedicated approaches. After, a supervisor is designed according to the standard objectives.In the online stage, fault detection can be interpreted by prohibiting some behaviours and introducing uncertainties. Thereafter, the diagnosis and identification modules (that are not treated in this work) reduce progressively the hybrid system. In order to update the abstract model, we developed some algorithms for reachability calculus, verification and generation of stabilized regions.In order to supervise the faulty system, the use of abstraction methodologies is necessary in order to transform the low level exhaustive model into an abstract and appropriate model. This abstraction is realized through algorithms that takes into account the abstraction context (objectives, constraints…). When a fault is detected, the reconfiguration is triggered by trying, as the abstract model is enriched, to reduce the behaviour of the faulty system into a preconceived model

Dans cette thèse nous avons étudié différents aspects pour le contrôle de systèmes hyperboliques.Tout d'abord, nous nous sommes intéressés à des systèmes hyperboliques à commutations. Cela signifie qu'il existe une interaction entre une dynamique continue et une dynamique discrète. Autrement dit, il existe différents modes dans lesquels peut évoluer la dynamique continue: ces modes sont dictés par la dynamique discrète. Ce changement de mode peut être contrôlé (dans le cas d'une boucle fermée), ou non-contrôlé (dans le cas d'une boucle ouverte). Nous nous sommes intéressés au premier cas. Par une analyse Lyapunov nous avons construit trois règles de commutations capables de stabiliser le système. Nous avons montré comment modifier deux d'entre elles pour obtenir des propriétés de robustesse et de stabilité entrée-état. Ces règles de commutations ont été testées numériquement.Ensuite, nous avons considéré la génération de trajectoire pour des systèmes hyperboliques linéaires 2x2 par backstepping. L'étape suivante a été de considérer une action Proportionnelle-Intégrale pour stabiliser la solution du système autour de la trajectoire de référence. Pour cela nous avons construit une fonction Lyapunov non-diagonale. Nous avons montré que l'action intégrale est capable de rejeter des erreurs distribuées et frontières.Enfin, nous avons considéré des aspects numériques pour l'analyse Lyapunov. Les conditions pour la stabilité et la conception de contrôleurs obtenues par des fonctions de Lyapunov quadratiques font intervenir une infinité d'inégalités matricielles. Nous avons montré que cette complexité peut être réduite en considérant une sur-approximation polytopique de ces contraintes.Les résultats obtenus ont été illustrés par des exemples académiques et des systèmes dynamiques physiques (comme les équations de Saint-Venant et les équations de Aw-Rascle-Zhang). / In this thesis we have considered different aspects for the control of hyperbolic systems.First, we have studied switched hyperbolic systems. They contain an interaction between a continuous and a discrete dynamics. Thus, the continuous dynamics may evolve in different modes: these modes are imposed by the discrete dynamics. The change in the mode may be controlled (in case of a closed-loop system), or may be uncontrolled (in case of an open-loop system). We have focused our interest on the former case. We procedeed with a Lyapunov analysis, and construct three switching rules. We have shown how to modify them to get robustness and ISS properties. We have shown their effectiveness with numerical tests.Then, we have considered the trajectory generation problem for 2x2 linear hyperbolic systems. We have solved it with backstepping. Then, we have considered the tracking problem with a Proportionnal-Integral controller. We have shown that it stabilizes the error system around the reference trajectory with a new non-diagonal Lyapunov function. The integral action has been shown to be able to reject in-domain, as well as boundary disturbances.Finally, we have considered numerical aspects for the Lyapunov analysis. The conditions for the stability and design of controllers by quadratic Lyapunov functions involve an infinity of matrix inequalities. We have shown how to reduce this complexity by polytopic embeddings of the constraints.Many obtained results have been illustrated by academic examples and physically relevant dynamical systems (as Shallow-Water equations and Aw-Rascle-Zhang equations).

Notre travail de recherche concerne l’étude de la commande à base de modèles pour une sous-classe de systèmes dynamiques hybrides (SDH). L’outil de modélisation choisi est l’automate hybride rectangulaire (AHR) pour sa puissance d’analyse. Nous proposons ainsi une méthode pour la synthèse de la commande des SDH modélisés par des AHR. Cette méthode repose sur l’application d’une procédure amont/aval de commande hors-ligne qui détermine d’une façon maximale permissive les nouvelles gardes de transition de l’automate respectant des spécifications de commande imposées par l’utilisateur. Tous les calculs réalisés reposent sur la détermination de la durée de séjour, valeur contrainte par l’espace atteignable du sommet correspondant. La garde portant à la fois sur l’état continu et sur l’événement discret, la commande se fait par ce dernier car il s’agit du seul élément contrôlable. Nous nous intéressons alors à la construction du contrôleur temporisé autorisant l’occurrence des événements contrôlables du système dans un intervalle d’horloge défini au sens de la maximale permissivité. / In this thesis, we study the control of a class of hybrid dynamic systems (HDS). The chosen modeling tool is the rectangular hybrid automaton (RHA) for his analysis power. We propose a method for the control synthesis of HDS modeled with RHA. This method consists on the application of a downstream/upstream offline control procedure that determines in a maximal permissive way the new automaton transition guards respecting the desired control specifications. All computations are based on the determination of the duration of stay, a value constrained by the reachable space of the corresponding location. Since the guard refers to both continuous state and discrete event, the control is made by the latter because it is the controllable element. Then we are interested in the construction of the timed controller authorizing the system controllable event occurrence in a clock interval defined in a maximal permissive way.

La thèse s'intéresse à trois problèmes de modélisation non-linéaire : la classification (ou reconnaissance de formes), la régression (ou approximation de fonctions) et l'identification de systèmes hybrides. Parmi les approches existantes dans la littérature, les machines à vecteurs de support (Support Vector Machines, SVMs) fournissent un cadre général pour la classification et la régression non-linéaires. Ces méthodes récentes, issues de la théorie de l'apprentissage statistique, permettent d'obtenir des modèles boîtes noires, conduisant à de bonnes performances en généralisation, par optimisation convexe. L'étude se concentre dans un premier temps sur l'évolution de ces modèles vers des modèles de type boîte grise, permettant de bénéficier à la fois de la capacité d'approximation universelle des modèles boîtes noires et de connaissances disponibles a priori. Dans ce cadre, la thèse propose une approche générale, permettant d'inclure un grand nombre de connaissances diverses dans l'apprentissage SVM pour la régression, tout en conservant un apprentissage par optimisation convexe. La dernière partie de la thèse propose ensuite d'étendre les SVMs à l'identification de systèmes hybrides (systèmes commutant entre plusieurs modes de fonctionnement). Dans ce contexte, les problèmes de classification et de régression sont liés de manière indissociable. Une méthode basée sur l'optimisation non-convexe est proposée pour résoudre simultanément ces problèmes. Celle-ci permet notamment d'identifier des systèmes hybrides possédant des non-linéarités arbitraires et inconnues.

Cette thèse est consacrée à la modélisation mathématique de réseaux de régulation génétique et métabolique. Une étude détaillée d'un réseau particulier, l'opéron lactose, nous permet de mettre en évidence les principales difficultés de la modélisation quantitative de tels systèmes. Dans ce domaine, la théorie des systèmes hybrides constitue un outil de modélisation pertinent, qui nous permet de proposer un modèle de l'opéron lactose reproduisant les principales caractéristiques de son comportement telles qu'elles sont connues aujourd'hui. Deux approches qualitatives sont ensuite envisagées. Une approche discrète, basée sur la théorie des réseaux d'automates booléens, est tout d abord présentée. Nous abordons dans ce cadre la question de l'identification de réseaux, en proposant notamment une preuve ainsi qu'une implémentation de l'algorithme d'inférence de réseaux booléens REVEAL. Nous faisons également une analyse de la complexité et de l'efficacité de cet algorithme. Enfin, nous proposons l'étude d une classe de systèmes différentiels comportant des lois de puissance, les S-systèmes. Ces systèmes présentent des propriétés intéressantes d'approximation locale de systèmes provenant des sciences du vivant. Nous proposons un algorithme itératif basé sur les S-systèmes dont le but est de trouver les points d'équilibre positifs d'un système dynamique quelconque, ainsi qu'une approximation locale de ce système autour de ces points d'équilibre. Cette approximation sous forme de lois de puissance offre une alternative à la technique classique de linéarisation. Nous appliquons cet algorithme à l'étude d'une partie d'un système métabolique chez la plante Arabidopsis thaliana.

Cette thèse est consacrée à la résolution des problèmes de contrôle non linéaires par des méthodes de calcul hybride. L'idée défendue est que la modélisation par les systèmes hybrides permet la résolution approchée des problèmes non linéaires sans connaissance a priori du comportement du système étudié. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la modélisation des systèmes de contrôle non linéaires par une nouvelle classe de systèmes hybrides affines par morceaux. Un soin particulier est apporté à l'étude de l'erreur et de la convergence de l'approximation hybride. La deuxième partie est consacrée au problème de la contrôlabilité à l'origine des systèmes non linéaires. Nous nous intéressons tout d'abord à la quantification de l'erreur commise entre le domaine contrôlable non linéaire et son approximation hybride. Nous proposons ensuite une approche constructive pour le calcul du domaine contrôlable, permettant alors de réduire l'exploration des états discrets de l'automate hybride. La dernière partie est dédiée à la recherche de solutions optimales des problèmes de contrôle non linéaires et hybrides. Nous justifions tout d'abord la pertinence de la modélisation hybride à travers deux approches : le principe du maximum de Pontryagin et les solutions de viscosité des équations d'Hamilton-Jacobi-Bellman. Nous énonçons en particulier un principe du maximum hybride qui nous permet alors de déterminer la structure du contrôle optimal hybride. Ces trois parties répondent à un objectif principal : développer par le calcul hybride combinant analyse numérique et calcul formel, des outils mathématiques et algorithmiques efficaces pour l'étude de dynamiques contrôlées non linéaires.

Les systèmes hybrides sont des systèmes qui combinent des dynamiques discrètes et continues. Cette thèse propose des techniques algorithmiques de vérification et de synthèse pour ces systèmes Le manque de méthodes pour calculer les ensembles atteignables des dynamiques continues est l'obstacle principal vers une méthodologie algorithmique de vérification. Nous développons deux techniques d'atteignabilité approximatives pour les systèmes continus basées sur une méthode efficace pour représenter des ensembles et une combinaison des techniques de la simulation, de la géométrie algorithmique, de l'optimisation, et de la commande optimale. La première technique d'atteignabilité est spécialisée pour les systèmes linéaires et étendue aux systèmes avec entrée incertaine, et la seconde peut être appliquée aux systèmes non-linéaires. En appliquant ces techniques nous développons un algorithme de vérification des propriétés de sûreté pour une large classe des systèmes hybrides avec des dynamiques continues arbitraires et des dynamiques discrètes assez générales. Nous étudions ensuite le problème de la synthèse de contrôleurs de sûreté pour les systèmes hybrides. Nous présentons un algorithme de synthèse des contrôleurs par commutation basé sur le calcul de l'ensemble d'invariance maximal et les techniques d'analyse d'atteignabilité. Nous avons implanté les algorithmes développés dans un outil appelé "d/dt", qui permet la vérification et la synthèse automatique pour les systèmes hybrides avec des inclusions différentielles linéaires. En dehors de nombreux exemples académiques, nous avons appliqué avec succès l'outil pour analyser quelques systèmes pratiques.