Le but de cette étude est de mettre en évidence certaines méthodes modernes d'optimisation des systèmes échantillonnés avec des contraintes de saturation. Les méthodes sont fondées sur la représentation des systèmes dans l'espace d'état discret. La première partie rappelle la notion d'espace d'état, et met en évidence la formulation des systèmes dans l'espace d'état continu et discret. La seconde partie traite de plusieurs méthodes donnant des réponses optimales (soit "deadbeat" soit en temps minimal soit en maximalisant un critère quadratique). La troisième partie fait part des conclusions de l'étude et des développements envisageables. Les annexes donnent les programmes en ÎCRTRAN IV suffisamment généraux pour traiter des systèmes pouvant posséder jusqu'à dix composantes sur le vecteur d'état et cinq composantes sur le vecteur de commande.

La méthode d'approximation des lieux de commutation pour la commande optimale d'un processus par approximations linéaires successives de leurs projections sur les plans orthogonaux de 1'espace d'état des variables considérées est difficilement applicable dans le cas d'un processus dont l'un des paramètres varie d'une façon quelconque. Le mélangeur présente cette particularité si l'on considère qu'il peut être représenté par une constante de temps dépendante de la valeur du débit à la sortie. Les équations décrivant le fonctionnement d'un chauffe-eau avec brassage étant analogues à celles décrivant celui du mélangeur et sa réalisation étant plus simple que celle de ce dernier, le processus du chauffe-eau avec brassage est étudié ici. Les progrès de 1' électronique en ce qui a trait à la production d'éléments non-linéaires tels que les multiplicateurs permettent d'envisager la possibilité de réaliser l'approximation des lieux de commutation optimale par des polynômes dont les coefficients peuvent être adaptés continuellement à la valeur du paramètre variable si ce dernier est mesurable et de conserver ainsi des performances optimales. Pour le mélangeur, en introduisant une constante de temps de mélange et un critère de temps minimal pour ramener 1'intégrale de 1'erreur de la concentration du mélange produit à zéro, on obtient un système du -troisième ordre. Le principe du maximum donne alors une commande optimale du type "bangbang" et une possibilité de deux commutations optimales pour ramener le système à l'origine. Les approximations des surfaces et des courbes de commutation optimale sous forme de polynômes de même que 1'adaptation des vii coefficients de ces derniers en fonction du débit sont obtenus par la méthode des moindres carrés à l'aide d'm ordinateur et les résultats de la simulation sur calculatrice analogique de la commande optimale sont présentés.

Notre travail concerne l'optimisation stochastique en temps continu et son application en finance. Nous donnons d'abord une formulation mathématique du problème, pour ensuite examiner deux approches de résolution du problème de contrôle optimal. La première, le principe du maximum stochastique, dans laquelle intervient la notion d'équations stochastiques rétrogrades (EDSRs), nous offre une condition nécessaire d'optimalité. Nous explorons également le cas où la condition devient suffisante. La deuxième approche quant à elle, est la programmation dynamique. Elle propose un candidat potentiel pour la solution optimale à travers la résolution d'une équation aux dérivées partielles appelée équation d'Hamilton Jacobi Bellman (HJB). Grâce au théorème de vérification, on pourra "vérifier" que le candidat est en fait la solution optimale. Enfin, nous appliquons ces deux techniques en résolvant le problème de sélection du portefeuille Moyenne-Variance avec ou sans contrainte d'interdiction de vente à découvert. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : contrôle optimal, principe du maximum, EDSR, programmation dynamique, HJB. Théorème de Vérification, moyenne-variance.

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Dans cette thèse nous développons de nouveaux algorithmes de calcul numérique pour les matrices polynomiales. Nous abordons le problème du calcul de la structure propre (rang, espace nul, structures finie et infinie) d'une matrice polynomiale et nous appliquons les résultats obtenus au calcul de la factorisation J-spectrale des matrices polynomiales. Nous présentons également quelques applications de ces algorithmes en théorie de la commande. Tous les nouveaux algorithmes décrits ici sont basés sur le calcul d'espaces nuls constants de matrices bloc Toeplitz associées à la matrice polynomiale analysée. Pour calculer ces espaces nuls nous utilisons des méthodes standard de l'algèbre linéaire numérique comme la décomposition en valeurs singulières ou la factorisation QR. Nous étudions aussi l'application de méthodes rapides comme la méthode généralisée de Schur pour les matrices structurées. Nous analysons les algorithmes présentés au niveau complexité algorithmique et stabilité numérique, et effectuons des comparaisons avec d'autres algorithmes existants dans la littérature.

Dans cette thèse, nous aborderons deux aspects fondamentaux qui se posent dans les systèmes de commande modernes du fait de l'interaction entre des processus en temps continu et des dispositifs numériques: la synthèse de lois de commande en présence de quantificateurs et l'estimation d'état en présence de mesures sporadiques. Une des caractéristiques principales de cette thèse consiste également à proposer des méthodes constructives pour résoudre les problèmes envisagés. Plus précisément, pour répondre à cette exigence, nous allons nous tourner vers une approche basée sur les inégalités matricielles linéaires (LMI). Dans la première partie de la thèse, nous proposons un ensemble d'outils constructifs basés sur une approche LMI, pour l'analyse et la conception de systèmes de commande quantifiés impliquant des modèles et des correcteurs linéaires. L'approche est basée sur l'utilisation des inclusions différentielles qui permet de modéliser finement le comportement de la boucle fermée et ainsi d'obtenir des résultats intéressants. Dans la seconde partie de la thèse, inspirés par certains schémas d'observation classiques présentés dans la littérature, nous proposons deux observateurs pour l'estimation de l'état d'un système linéaire en présence de mesures sporadiques, c'est-à-dire prenant en compte la nature discrète des mesures disponibles. De plus, en se basant sur une des deux solutions présentées, une architecture de commande basée observateur est proposée afin de stabiliser asymptotiquement un système linéaire en présence à la fois de mesures sporadiques et d'un accès intermittent à l'entrée de commande du système. / In this dissertation, two fundamental aspects arising in modern engineered control systems will be addressed:On the one hand, the presence of quantization in standard control loops. On the other hand, the state estimation in the presence of sporadic available measurements. These two aspects are addressed in two different parts. One of the main feature of this thesis consists of striving to derive computer-aided tools for the solution to the considered problems. Specifically, to meet this requirement, we revolve on a linear matrix inequalities (LMIs) approach. In the first part, we propose a set of LMI-based constructive Lyapunov-based tools for the analysis and the design of quantized control systems involving linear plants and linear controllers. The entire treatment revolves on the use of differential inclusions as modeling tools, and on stabilization of compact sets as a stability notion. In the second part of the thesis, inspired by some of the classical observation schemes presented in the literature of sampled-data observers, we propose two observers to exponentially estimate the state of a linear system in the presence of sporadic measurements. In addition, building upon one of the two observers, an observer-based controller architecture is proposed to asymptotically stabilize a linear plant in the presence of sporadic measurements and intermittent input access.

Les applications de contrôle automatique et d'optimisation doivent utiliser des données de qualité afin de prendre des actions ciblées et efficaces. Les imperfections des systèmes de mesure font en sorte que les données mesurées brutes ne présentent pas un portrait complet et précis des procédés. Les observateurs, en combinant les mesures brutes avec des connaissances sur les procédés, permettent, sous certaines conditions dont l'observabilité et une modélisation adéquate, de fournir des estimés fiables pour les variables non mesurées tout en diminuant les effets du bruit aléatoire de mesure sur les variables mesurées. La présente thèse vise particulièrement à explorer et valider les possibilités d'observer de manière non biaisée des procédés à partir de sous-modèles basés sur des lois de conservation auxquelles des équations empiriques stochastiques peuvent être ajoutées. La représentation d'état régulière est d'abord considérée, mais elle devient limitée en présence d'équations algébriques ainsi que dans le contexte errors-in-variables. Après avoir fait la preuve que ce contexte errors-in-variables est parfaitement compatible avec une représentation d'état généralisée même dans un cas où certaines entrées ne seraient pas mesurées, la représentation d'état généralisée est largement utilisée pour la modélisation dans cette thèse. Des observateurs optimaux sont présentés pour cette représentation d'état ainsi que les représentations d'état particulières statique, stationnaire et dynamique régulière. La réconciliation dynamique non linéaire de données basée sur la programmation non linéaire est privilégiée dans les situations où les contraintes sont non linéaires ou lorsque des contraintes d'inégalité deviennent actives. Les limites des observateurs statiques pour les applications en ligne sont démontrées et les observateurs stationnaires basés sur des structures similaires, mais nécessitant le réglage d'une matrice de variance supplémentaire, sont proposés en remplacement. Des méthodes pratiques sont proposées et testées pour le réglage des paramètres stochastiques. L'observation est appliquée à des procédés de traitement de la matière considérés parfaitement mélangés ainsi qu'à un tuyau avec écoulement piston à débit volumique variable. Les notions et les outils développés dans cette thèse peuvent être utiles et utilisés dans de nombreux secteurs industriels dont le traitement du minerai, la pyrométallurgie, la pétrochimie, le ciment, les biotechnologies et la transformation alimentaire. / Automatic process control and optimization applications must use good quality data in order to take targeted and effective actions. Raw measurements do not provide a complete and precise vision of process operations because measurement systems arc not perfect. Observers, by combining raw measurements with knowledge about processes, allow, under certain conditions such as sufficient observability and adequate modeling, to provide reliable estimates for unmeasured variables while decreasing random measurement noise effects on measured variables. The present thesis aims at exploring and validating the possibilities for the unbiased observation of processes using sub-models based on conservation laws to which stochastic empirical equations can be added. The regular state space representation is first considered but it becomes limited in the presence of algebraic equations and in the errors-in-variables environment. After showing that this errors-in-variables environment fits perfectly in a generalized state space representation even in a case where some inputs would not be measured, the generalized state space representation is then largely used for modeling in this thesis. Optimal observers are presented for this state space representation as well as for the particular static, stationary and regular dynamic state space representation. The nonlinear dynamic data reconciliation algorithm based on nonlinear programming should be favored in case of nonlinear constraints or when the inequality constraints become active. The limitations of static observers for on line applications are shown and stationary observers using the saine modeling structure, but requiring the tuning of an additional variance matrix, are proposed as an easy improvement. Practical methods are proposed and tested for the tuning of the two variance matrices used in state space modeling. The different observers are applied to processing units considered perfectly mixed and transportation units like a plug-flow pipe with a variable flowrate. The concepts and the tools developed in this thesis can be useful and used in many industrial sectors such as mineral processing, pyrometallurgy, petrochemistry, cement, biotechnology and food processing.

L'évolution importante des réseaux sans fil tend à fournir les supports nécessaires aux applications ubiquitaires émergentes dans les réseaux Mesh sans fil. Les réseaux mesh comprennent des nœuds stationnaires qui remplissent la fonction de routage et appelés routeurs Mesh sans fil (WMR) et qui consitutent le réseau backbone sans fil (WBMN) ainsi que des nœuds clients mesh sans fil (WMCs). Alors que les WMCs sont limités en termes de fonctions et de resources radio, les WMRS fournissent des fonctions de pont et de passerelle afin de connecter les réseaux WMNs aux autres réseaux comme les réseaux cellulaires, les réseaux IEEE 802.11, les réseaux IEEE 802.16, ou tout simplement à Internet. Par conséquent, les réseaux WMRs sont construits à partir sur la base d'équipement radio de communication rapide et/ou multi-radio et multi-canaux. Les routeurs WMRs sont supposes être auto-organisés, auto-configurés et constituant un réseau WNMN robuste ce qui nécessite de soutenir des volumes importants de trafic de données et sur de longues périodes. Cependant, répondre à attentes élevées en termes de services nécessite le développement d'approches décentralisés pour le control dynamique des puissances de transmission (DTPC). La présente thèse se focalise sur le problème DTPC pour les deux cas de réseaux; utilisant un canal de communication et multicanaux. Pour les réseaux exploitant un seul canal, le problème est formulé en termes de problème d'optimisation où l'objectif est de minimiser en même temps des critères convexes associés aux liens et aux réseaux. Afin de résoudre ce problème, des modèles et des algorithmes, appelés MATA (multiple access transmission aware), ont été proposés. Pour les réseaux WBMNs utilisant des systèmes multi-radio et multi-canaux (MRMC), le réseau est modélisé par un ensemble de graphes appelés UCGs (unified channel graphs), chacun consistant les utilisateurs connectés au point d'accès en utilisant le même canal fréquentiel. Pour chaque ensemble UCG, le problème à résoudre un problème quadratique et stochastique soumis aux contraintes des états des liens dynamiques LSI (Link State Information) de tous les UCGs. Le protocole PMMUP, mutli-radio et minimisant la consummation énegétique, est propose au niveau de la couche liaison. Algorithmes d'estimation prédictive base sur ce protocol sont proposes pour résoudre les problèmes d'optimisation associés aux UGCs. Les problèmes énergétiques, les instabilités des queues et les interférences, sont formulés en termes de problèmes de commande optimale couplée, appelés SPWC (singularly-perturbed weakly-coupled). Pour résoudre les problèmes SPWC caractérisant le problème de commande optimal des energies de transmission, l'algorithme HORA (aeneralized higher-order recursive algorithm) qui permet d'obtenir les solutions stables pour les équations de Riccati a été développé. Les performes des modèles et algorithmes proposés dans le cadre de la présente thèse ont été évalués tant sur le plan théorique qu'en simulation. Différentes simulations ont été effectuées sur un large ensemble de topologies réseaux générés aléatoirement. Les résultats de simulation et analytiques Simulation confirment l'efficacité des algorithmes proposés par rapport à la majorité des techniques existantes / The remarkable evolution of wireless networks into the next generation to provide ubiquitous and seamless broadband applications has recently triggered the emergence of Wireless Mesh Networks (WMNs). The WMNs comprise stationary Wireless Mesh Routers (WMRs) forming Wireless Backbone Mesh Networks (WBMNs) and mobile Wireless Mesh Clients (WMCs) forming the WMN access. While WMCs are limited in function and radio resources, the WMRs are expected to support heavy duty applications : that is, WMRs have gateway and bridge functions to integrate WMNs with other networks such as the Internet, cellular, IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16, sensor networks, et cetera. Consequently, WMRs are constructed from fast switching radios or multiple radio devices operating on multiple frequency channels. WMRs are expected to be self-organized, self-configured and constitute a reliable and robust WBMN which needs to sustain high traffic volumes and long “online” time. However, meeting such stringent service expectations requires the development of decentralized dynamic transmission power control (DTPC) approaches. This thesis addresses the DTPC problem for both single and multiple channel WBMNs. For single channel networks, the problem is formulated as the minimization of both the link-centric and network-centric convex cost function. In order to solve this issue, multiple access transmission aware (MATA) models and algorithms are proposed. For multi-radio multi-channel (MRMC) WBMNs, the network is modelled as sets of unified channel graphs (UCGs), each consisting of interconnected active network users communicating on the same frequency channel. For each UCG set, the minimization of stochastic quadratic cost functions are developed subject to the dynamic Link State Information (LSI) equations from all UCGs. An energy-efficient multi-radio unification protocol (PMMUP) is then suggested at the Link-Layer (LL). Predictive estimation algorithms based on this protocol are proposed to solve such objective functions. To address transmission energy and packet instabilities, and interference across multiple channels, singularly-perturbed weakly-coupled (SPWC) control problems are formulated. In order to solve the SPWC transmission power control problem, a generalized higher-order recursive algorithm (HORA) that obtains the Riccati Stabilizing Solutions to the control problem is developed. The performance behaviours of the proposed models and algorithms are evaluated both analytically and through computer simulations. Several simulations are performed on a large number of randomly generated topologies. Simulation and analytical results confirm the efficacy of the proposed algorithms compared to the most recently studied techniques