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On considère un problème de contrôle optimal, déterministe dont la dynamique dépend de phénomènes "rapides", modélisés sous la forme d'un temps rapide t/epsilon , epsilon petit. On étudie le cas particulier ou le temps rapide intervient de manière périodique dans la dynamique. On étudie le problème moyenne dans les cas périodique et non périodique.

La théorie du contrôle optimal s'est très rapidement développée depuis quelques années. Différentes méthodes ont été proposées pour aborder le problème. Nous développons ci-dessous une méthode due essentiellement à M. Hestenes

Le contrôle de santé des structures par méthodes vibratoires se heurte à l'influence prédominante des effets thermiques et suscite le besoin de méthodes d'assimilation thermique en temps réel pour éliminer ces effets. On propose des algorithmes qui permettent de reconstituer, à un instant donné, le champ de température dans une structure tridimensionnelle à partir de mesures ponctuelles enregistrées sur un intervalle de temps précédant cet instant. La démarche adoptée est celle de la méthode adjointe tirée de la théorie du contrôle optimal : on résout un problème de minimisation au sens des moindres carrés d'une fonction de coût mesurant l'écart entre les données et le champ de température reconstruit. La minimisation dans un espace de type H1 lève la difficulté habituelle de la méthode adjointe à la fin de la fenêtre d'observation, ce qui permet la reconstruction précise de la température à l'instant courant. La définition des valeurs ponctuelles du champ de température impose le choix d'espaces de contrôle de régularité importante. Pour pouvoir utiliser des méthodes usuelles de discrétisation malgré un second membre formé de masses de Dirac, l'état adjoint est défini par des techniques spécifiques fondées sur la transposition. Le formalisme dual adopté conduit à poser le problème dans un espace essentiellement unidimensionnel. En réduisant la quantité de calculs en ligne, au prix d'une série de précalculs, il donne lieu à des algorithmes d'assimilation en temps réel applicables à des structures tridimensionnelles de géométrie complexe. La robustesse des méthodes par rapport aux erreurs de modélisation et au bruit de mesure est évaluée numériquement et validée expérimentalement.

Ce travail s’inscrit dans le projet plus global SHARE dont l’objectif principal est de concevoir une station de contrôle sol universelle mono-opérateur de nouvelle génération pour le contrôle et la commande de drones à voilure fixe et voilure tournante.L’objectif de cette thèse est de développer un simulateur générique de la station de contrôle capable de simuler en temps réels les différents types de drones, les capteurs embarqués (caméra), l’environnement et les différentes missions militaires définies par le standard STANAG 4586. Après une modélisation des différentes parties de la station, nous présentons l’architecture adoptée pour le simulateur et le module de contrôle. Ce dernier est divisé en plusieurs niveaux hiérarchiques, dont le niveau supérieur contient les algorithmes de planification de trajectoire pour les drones à voilure fixe HALE (haute altitude, longue endurance). Ces algorithmes servent à calculer un chemin admissible entre un point de départ et un point d’arrivée en minimisant une fonction de coût.Enfin nous avons développé un système d’aide à la décision pour la gestion en ligne des missions, capable de réaliser une sélection d’objectifs, et une sélection du meilleur chemin proposé par les algorithmes de planification de trajectoire. Cet outil a pour objectif d’aider l’opérateur de la station à prendre la meilleure décision en maximisant les récompenses obtenues lors de la réalisation des objectifs et en minimisant certains critères tels que la consommation des ressources, le danger, les conditions météorologiques, etc. / The presented work is part of a larger project called SHARE, which consists in developing a universal new generation ground control station for the monitoring and the control of fixed and rotary wing UAVs (Unmanned Aerial Vehicle).The objective of this PhD thesis is to develop a generic ground control station simulator capable of simulating in real time different types of UAVs, onboard sensors, several flight environments, and various military missions which are defined according to the STANAG 4586 standard. First, we introduce the model of the different parts of the station, and then we present the architecture adopted for the simulator and the control module. The latter is divided into several hierarchical levels; the upper level contains the path planning algorithms for fixed wing HALE (High Altitude, Long Endurance) UAV. These algorithms are used to calculate an admissible path between initial and final position by minimizing a cost function.Finally, in order to manage missions online, we developed a decision support system that is capable of performing a variety of objectives. This system also supplies the operator the best paths proposed by planning algorithms. This tool aims to help the station operator to make the decision by maximizing the rewards obtained during the achieving the objectives and minimizing certain criteria (resource consumption, danger, weather,..).

Cette thése est consacrée à l'étude du contrôle optimal et de l'homogénéisation de problèmes liés à l'équation de Stokes ainsi qu'au problème de torsion élastique. Pour chaque problème étudié, nous imposons un contrôle à l'équation d'état. Ce contrôle appartient à un ensemble appelé ``ensemble de contrôles admissibles". On se donne une fonction coût qui dépend à la fois de l'état mais aussi du contrôle. Le contrôle optimal (unique) est la fonction dans l'ensemble de contrôles admissibles qui minimise la fonction coût pour tous les contrôles dans cette ensemble. On étudie alors le comportement limite de celui-ci. S'il admet une limite, on la caractérise si possible, comme étant le contrôle optimal associé au problème limite homogénéisé. Dans un premier temps, on étudie un problème de contrôle optimal dans un mélange de deux fluides. Ces deux fluides sont répartis périodiquement l'un par rapport à l'autre dans un domaine bi ou tridimensionnel. L'écoulement des deux fluides obéit aux équations de Stokes. Par la suite, on s'intéresse encore à un mélange de deux fluides visqueux incompressibles séparés par une interface qui oscille rapidement. Ce problème est régit par les équations de Stokes. Ensuite, on étudie le contrôle optimal pour les équations de Stokes dans les domaines perforés. On suppose que les perforations sont de taille plus petite qu'une période donnée. En dernier lieu, on est amené à étudier le contrôle optimal d'un problème de torsion élastique. Dans chacune de ces parties, on caractérise la limite du contrôle optimal comme étant le contrôle optimal du problème limite.

Le sujet de cette thèse est l'étude de systèmes de production avec impatience. Ces systèmes sont modélisés comme des problèmes d'ordonnancement stochastiques avec des dates d'échéance. Dans la littérature, peu de résultats existent sur le contrôle optimal de ce genre de systèmes. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse. Nous considérons un système générique avec une machine, sur laquelle des tâches sont à exécuter. Les durées d'exécution, les dates d'échéance (ou durées d'impatience) et les dates de disponibilité des tâches sont des variables aléatoires. À chaque tâche est associé un poids et l'objectif est de minimiser l'espérance du nombre pondéré de tâches en retard. Dans notre étude, nous utilisons différentes modélisations, rendant compte des différentes contraintes régissant des systèmes réels. Notamment, nous faisons la différence entre l'impatience, le fait d'avoir attendu trop longtemps, et l'abandon, le fait de quitter le système suite à l'impatience. Dans la classe des politiques statiques, nous donnons des ordonnancements optimaux pour des problèmes avec impatience. Dans la classe des politiques dynamiques avec préemption, nous donnons de nouvelles conditions garantissant l'optimalité d'une politique stricte pour des problèmes avec abandon et nous proposons une heuristique plus efficace que celles que l'on trouve dans la littérature. Enfin, nous explorons des variantes et des extensions de ces problèmes, lorsque le système comporte plusieurs machines et lorsque la préemption n'est pas autorisée. / In this thesis, production systems facing abandonments are studied. These problems are modeled as stochastic scheduling problems with due dates. In the literature, few results exist concerning the optimal control of such systems. This thesis aims at providing optimal control policies for systems with impatience. We consider a generic system with a single machine, on which jobs have to be processed. Processing times, due dates (or patience time) and release dates are random variables. A weight is associated to each job and the objective is to minimize the expected weighted number of late jobs. In our study, we use different models, taking into account the specific features of real life problems. For example, we make a difference between impatience, when a customer has been waiting for too long, and abandonment, when a customer leaves the system after getting impatient. In the class of static list scheduling policies, we provide optimal schedules for problems with impatience. In the class of preemptive dynamic policies, we specify conditions under which a strict priority rule is optimal and we give a new heuristic, both extending previous results from the literature. We study variants and extensions of these problems, when several machines are available or when preemption is not authorized.

L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes d'optimisation et de contrôle optimal pour l'amélioration du rendement des cultures en utilisant le modèle de croissance de plantes GreenLab. Les méthodes proposées doivent se placer dans le contexte suivant: (1) la recherche d'amélioration du rendement se fait par des simulations basées sur le modèle structure-fonction GreenLab et (2) les méthodes utilisées sont des algorithmes d'optimisation heuristiques et des techniques de contrôle optimal. L'application de ces méthodes à plusieurs espèces de plantes, allant des plantes agronomiques aux arbres, et avec des différents objectifs a permis d'identifier certaines caractéristiques associées à des plantes ayant un bon rendement. En particulier, les résultats d'optimisation ont révélé la dynamique des relations source-puits au sein de la plante durant sa croissance. Ces résultats peuvent être considérés comme des références pour guider la sélection génétique pour l'amélioration variétale, et également pour l'amélioration des itinéraires culturaux. La perspective à long terme de cette thèse est l'intégration de ses résultats dans des outils d'aide à la décision pour l'agriculture. Pour atteindre les objectifs de cette thèse, nous avons analysé successivement les effets de facteurs endogènes et exogènes (environnementaux) sur la croissance de la plante et sur son rendement. Plus précisément, l'effet des facteurs endogènes a été étudié à conditions environnementales fixées, puis des méthodes de contrôle optimal ont été appliquées sur les variables environnementales, pour un génotype de plante fixé. En conséquence, les problèmes traités dans cette thèse relèvent à la fois de la théorie de l'optimisation et du contrôle optimal. Les principales contributions de cette thèse incluent les points suivants : Des problèmes d'optimisation simple objectif, d'optimisation multi-objectif et d'optimisation sous contrainte ont été formulés et résolus, dans le but de trouver les paramètres endogènes associés à la plante ayant le plus haut rendement, ce qui correspond à la définition d'un idéotype, pour une plante d'espèce donnée. Pour la plupart des problèmes d'optimisation présentés, la méthode la plus appropriée est celle d'un algorithme basé sur une population. Plusieurs algorithmes de ce type ont été comparés et celui ayant les meilleures performances est un algorithme heuristique nommé Particle Swarm Optimization (PSO). Du contrôle optimal a été appliqué pour définir la stratégie d'élagage optimale (application aux feuilles de thé). Come GreenLab peut être formulé comme un système dynamique discret et que la fonction objectif est analytique, une méthode basée sur le gradient, basée sur une approche variationnelle et sur la théorie de Lagrange, a été utilisée. La solution trouvée à été comparée à celle obtenue par la méthode PSO afin de valider cette dernière. Un modèle de dynamique de population d'insectes a été développé à des échelles spatiales et temporelles compatibles avec le modèle GreenLab, afin d'étudier l'interaction plante-insectes. Plus précisément, un écosystème tritrophique a été modélisé, incluant les interactions entre les plantes, les insectes ravageurs et des prédateurs des ravageurs, appelés insectes auxiliaires. un modèle des interaction. L'originalité de ce travail est la rétro-action entre la dynamique de population des insectes et la croissance de la plante, ainsi que la prise en compte de la répartition spatiale des insectes sur chacun des organes de la plantes. Une analyse de sensibilité basée sur la méthode de Morris a été appliquée pour identifier les paramètres les plus ou moins influents sur les sorties d'intérêt. Cela a permis de calculer des stratégies optimales pour l'application des techniques d'éradication des ravageurs. Les paramètres de GreenLab ont été estimés sur environ 400 jeux de données correspondant à 44 génotypes de tomates, à l'aide d'un algorithme des moindres carrés non linéaires généralisés. Considérant l'ensemble des valeurs estimées comme l'espace des paramètres possibles, nous avons calculé les valeurs optimisant le rendement en fruits des tomates. Nous avons analysé les corrélations entre les paramètres estimés ou optimaux et le rendement à l'aide de méthodes statistiques, ce qui a permis d'identifier les plus importants paramètres responsables des différences observées parmi les rendements des différentes plantes. Ainsi, à partir de ces résultat d'optimisation et d'analyse des corrélation, les différences phénotypiques entre différents génotypes ont pu être expliquées d'un point de vue physiologique. / The objective of the thesis is to improve plant yield through optimization and optimal control based on the GreenLab plant growth model. Therefore, the thesis proposed a methodology for investigation of plant yield improvement，whose characteristics are that (1) investigations are all based on the functional-structural plant growth model GreenLab and (2) heuristic optimization algorithm and optimal control techniques are applied to the plant growth model in order to improve plant yield. By applying optimization techniques on different species of plants (crops or trees) and for different kinds of optimization problems, common characteristics that a plant with high yield should possess were obtained. The optimal results in the thesis revealed the source-sink dynamics during the plant growth. The optimization results can be considered as references to guide breeding for ideotype and to improve cultivation modes. The optimization application of GreenLab could thus be possibly used to the agricultural decision support system.To achieve the aims of the thesis, the thesis investigated the effects of endogenous factors and exogenous environmental factors of plant growth on plant yield separately. First, given environmental conditions, the thesis investigated endogenous factors, and then the thesis did optimal control on exogenous environmental factors given plant genotype. Therefore, the problems investigated in the thesis consist of general optimization problems and optimal control problems.The main contributions of the thesis include following issues: According to the species of plants, single optimization problems, multi-objective optimization problems and optimization problems with constraints with respect to plant endogenous factors were formulated and investigated, in order to find the ideotype of plants with high plant yield. A population based algorithm is more suitable for the optimization problems in this thesis. Due to its better performance compared with other heuristic optimization algorithms, all optimization problems were solved by a population-based, heuristic optimization algorithm, namely Particle Swarm Optimization (PSO). Optimal control on the pruning strategy was formulated and investigated in the thesis. As GreenLab can be considered as discrete dynamic system and the objective function of the optimal control problem is analytical, the gradient based method, which is based on the variational approach and Lagrange theory, was used to solve the optimal control problem. Moreover, the optimal solutions were compared with the ones found by PSO, in order to validate the PSO method. The insect population dynamics was modeled mathematically, which was compatible with the plant model GreenLab in terms of spatial and temporal scales, to study the effect of biotic factors on plant growth. The interaction among plants, pests and auxiliaries was implemented, and the ecosystem model, which involves the three tri-trophic components, was thus developed in the thesis. The tri-trophic ecosystem model can simulate the insect population dynamics and the plant growth with consideration of the interaction of insects. Moreover, the tri-trophic ecosystem model considered the partition of individuals in the insect population among plant organs, which is not taken into account in the previous works. A global sensitivity analysis method Morris method was used to analyze the most important parameters and the least influential parameters to model outputs of interest. Through optimization on pest management techniques, the optimal strategies of the application of the pest management techniques were obtained. Estimation of GreenLab parameters with about 400 sets of observation data of 44 tomato genotypes was done in the thesis, by using a generalized non-linear least square algorithm. Taking the estimated parameter values as parameter space, the GreenLab model parameters were optimized, in order to maximize the fruit yield. Through the analysis of the correlation of estimated and optimal parameters with the fruit yield by statistical analysis methods, the most important parameters that result in the difference of fruit yield were found. According to the correlation and optimization results, the phenotypic differences among genotypes were explained from the physiological point of view.

Une première partie de cette thèse est dédiée à l’étude de la régularité de la densité de transport sigma dans le problème de Monge entre deux mesures f^+ et f^- sur un domaine Omega. Tout d’abord, on étudie la question de la sommabilité L^p de cette densité de transport entre une mesure f^+ et sa projection sur le bord (P)# f^+, qui ne découle pas en fait des résultats connus (dus à De Pascale - Evans - Pratelli - Santambrogio) sur la densité de transport entre deux densités L^p, comme dans notre cas la mesure cible est singulière. Par une méthode de symétrisation, dès que Omega est convexe ou satisfait une condition de boule uniforme extérieure, nous prouvons les estimations L^p (si f^+ in L^p, alors sigma in L^p). En plus, nous analysons le cas où on paye des coûts supplémentaires g^± sur le bord, en prouvant que la densité de transport est dans L^p dès que f^± in L^p, Omega satisfait une condition de boule uniforme extérieure et, g^± sont lambda^± Lipschitiziens avec lambda^± < 1 et semi-concaves. Ensuite, on s’attaque à la régularité d’ordre supérieur (W^{1,p}, C^{0,alpha}, BV · · ·) de la densité de transport sigma entre deux densités régulières f^+ et f^-. Plus précisément, nous fournissons une famille de contre-exemples à la régularité supérieure: nous prouvons que la régularité W^{1,p} des mesures source et cible, f^+ et f^-, n’implique pas que la densité de transport est W^{1,p}, de même pour la régularité BV, et même f^± in C^infty n’implique pas que sigma est dans W^{1,p}, pour p grand. Ensuite, nous étudions la sommabilité L^p de la densité de transport entre deux mesures f^+ et f^- concentrées sur le bord. Plus précisément, nous prouvons que si f^+ et f^- sont dans L^p(partialOmega), alors la densité de transport sigma entre eux est dans L^p(Omega) dès que Omega est uniformément convexe et p leq 2; de plus, nous introduisons un contre-exemple montrant que ce résultat n’est plus vrai si p > 2. Cela fournit des résultats de régularité W^{1,p} sur la solution u du problème de gradient minimal avec donnée au bord g dans des domaines uniformément convexes (si g in W^{1,p}(partialOmega) alors u in W^{1,p}(Omega)).Dans une deuxième partie, nous étudions un problème de contrôle optimal motivé par un modèle de jeux à champ moyen. D’abord, nous montrons des résultats de différentiabilité et semi-concavité sur la fonction valeur associée au problème de contrôle (le résultat de semi-concavité est optimal en ce qui concerne les hypothèses sur la régularité en temps). Ensuite, nous démontrons que la densité des agents rho_t, dans le modèle MFG considéré, est dans L^p dès que la densité initiale rho_0 in L^p. En plus, nous arrivons à prouver l’existence d’un équilibre pour le problème MFG considéré dans un cas où la dynamique n’est pas régulière.Dernièrement, nous considérons le problème stationnaire associé au problème MFG. Nous montrons que la densité d’équilibre n’est rien d’autre que la densité de transport entre une densité source f et sa projection sur le bord en utilisant une métrique Riemannienne non-uniforme comme coût de transport. Cela nous permet de démontrer que la densité d’équilibre rho est dans L^p dès que la densité source f in L^p. Par conséquent, nous arrivons à prouver aussi l’existence d’un équilibre stationnaire dans un cas où la dynamique n’est pas régulière. / A first part of this thesis is dedicated to the study of the regularity of the transport density sigma in the Monge problem between two measures f^+ and f^- on a domain Omega. First, we study the question of L^p summability of this transport density between a measure f^+ and its projection on the boundary (P)# f^+, which does not actually follow from the known results (due to De Pascale, Evans, Pratelli, Santambrogio) on the transport density between two L^p densities, as in our case the target measure is singular. By a symmetrization trick, if Omega is convex or satisfies a uniform exterior ball condition, we prove the L^p estimates (if f^+ in L^p, then sigma in L^p). In addition, we analyze the case where we pay additional costs g^± on the boundary, proving that the transport density sigma is in L^p as soon as f^± in L^p, Omega satisfies a uniform exterior ball condition and, g^± are lambda^± Lip with lambda^± < 1 and semi-concave. Then we attack the higher-order regularity (W^{1,p}, C^{0,alpha}, BV · · ·) of the transport density sigma between two regular densities f^+ and f^-. More precisely, we provide a family of counter-examples to the higher regularity: we prove that the W^{1,p} regularity of the source and target measures, f^+ and f^-, does not imply that the transport density is in W^{1,p}, the same for the BV regularity, and even f^± in C^infty does not imply that sigma is in W^{1,p}, for large p. Next, we study the L^p summability of the transport density between two measures, f^+ and f^-, concentrated on the boundary. More precisely, we prove that if f^+ and f^- are in L^p(partialOmega), then the transport density sigma between them is in L^p(Omega) as soon as Omega is uniformly convex and p leq 2; moreover, we introduce a counter-example showing that this result is no longer true if p > 2. This provides W^{1,p} regularity results on the solution u of the least gradient problem with boundary datum g in uniformly convex domains (if g in W^{1,p}(partialOmega) then u in W^{1,p}(Omega)).In a second part, we study an optimal control problem motivated by a model of mean field games. First, we show differentiability and semi-concavity results on the value function associated with the control problem (the semi-concavity result will be sharp in regards to the hypotheses on the regularity in time). Then we show that the density of agents rho_t, in the considered MFG model, is in L^p as soon as the initial density rho_0 in L^p. In addition, we prove existence of an equilibrium for the considered MFG problem in a case where the dynamic is non-regular.Lastly, we consider the stationary problem associated with the MFG model. We show that the equilibrium density is nothing but the transport density between a source density f and its projection on the boundary using a non-uniform Riemannian metric as a transport cost. This allows us to show that the equilibrium density rho is in L^p as soon as the source density f in L^p. Therefore, we also prove existence of a stationary equilibrium in a case where the dynamic is non-regular.