Ce mémoire de thèse présente deux nouvelles approches pour l’analyse et la commande des systèmes non-linéaires complexes, comme les systèmes dynamiques à commutation de la classe des convertisseurs d’énergie électrique. Ces systèmes ont plusieurs modes de fonctionnement et ont un point de fonctionnement désiré qui, en général, n’est le point d’équilibre d’aucun des modes. Dans cette classe de systèmes, la commutation d’un mode de fonctionnement à un autre est commandée selon une loi qui doit être synthétisée. Par conséquent, la synthèse de commande implique l’étude des conditions qui permettent à un cycle limite stable de s’établir au voisinage du point de fonctionnement désiré, puis de la trajectoire de commande qui permet de l’atteindre en respectant les contraintes physiques de comportement (courant maximum supporté par les composants,. . .) ou les contraintes de temps (durée minimum entre deux commutations,. . .). Le cycle limite sera qualifié d’hybride car il est composé de plusieurs dynamiques(deux dans ces travaux).La première méthode développée s’appuie sur les propriétés géométriques des champs de vecteurs et est une extension d’une partie des travaux de thèse de Manon au LAGEP. Une condition nécessaire et suffisante d’existence et de stabilité d’un cycle limite hybride composé d’une séquence de deux modes de fonctionnement dans IR2 est présentée. Ce cycle définit la région finale à atteindre par le système depuis son état initial, par une trajectoire déterminée de manière optimale selon un critère donné (durée totale, énergie dépensée, . . .). La méthode proposée est appliquée aux convertisseurs d’énergie Buck et Buck-Boost alimentant une charge résistive. Une extension à IRn a été proposée et démontrée. Elle est illustrée sur un système non-linéaire dans IR3.La deuxième méthode est développée dans IR2 et basée sur la théorie de Lyapunov, bien connue en automatique pour étudier la stabilité des systèmes non-linéaires et concevoir des commandes stabilisantes.Il s’agit de déterminer par une approche géométrique, une fonction de Lyapunov quadratique commune aux deux modes de fonctionnement du système, qui permette d’obtenir un cycle limite hybride stable le plus proche possible du point de fonctionnement désiré et une commande stabilisante directe des interrupteurs / This PhD-thesis presents two new approaches for the analysis and control of complex nonlinearsystems, such as switching dynamic systems of the class of power converters. These systems have severalmodes of operation and a desired operating point, which, in general, is not the equilibrium point of anymode. In this class of systems, switching from one mode to another is controlled by a switching law tobe designed. Therefore, the synthesis of a control law involves the study of the conditions that allow astable limit cycle to settle near the desired operating point, and of the control trajectory to reach thislimit cycle and stabilize on it, meeting the constraints dues to the physical behavior (maximum currentsupported by the components, . . .) or time constraints (minimum duration between two switchings, . . .).The limit cycle is called hybrid because it is composed of several dynamics (two in this work).The first method is based on the geometric properties of vector fields and is an extension of part ofthe PhD-thesis of Manon at LAGEP. A necessary and sufficient condition of existence and stability of ahybrid limit cycle consisting of a sequence of two operating modes, is presented in IR2. This limit cycledefines the final region to be reached by the system from its initial state, along a trajectory determinedoptimally according to a given criterion (total duration, energy expended, . . .). This method is applied tothe Buck and Buck-Boost power converters with a resistive load. An extension to IRn has been proposedand demonstrated. It is illustrated on a nonlinear system in IR3.The second method is developed in IR2, based on the Lyapunov theory, well known in automatic controlfor studying the stability of nonlinear systems and designing stabilizing control methods. The objective isto design, with a geometric approach, a quadratic Lyapunov function common to both modes of operation,which defines a stable hybrid limit cycle closest to the desired operating point and a direct stabilizingcontrol of the switches.

Les bruits automobiles induits par le frottement sont à l’origine de nombreuses plaintes clients et occasionnent des coûts de garantie considérables pour les constructeurs automobiles. Les objectifs de la thèse consistent à comprendre la physique à l’origine de ces bruits et proposer des méthodologies de simulation afin de les éradiquer. Un système générique est tout d’abord étudié. Ce système discret met en jeu un contact entre deux masses et une loi de frottement de Coulomb présentant une discontinuité à vitesse relative nulle. Des calculs de valeurs propres complexes de ce système linéarisé autour de sa position d’équilibre glissant sont menés et montrent la présence d’instabilités par flottement voire par divergence. Les simulations temporelles montrent quant à elles que les non-linéarités de contact permettent de stabiliser les niveaux vibratoires en cas d’instabilité selon quatre régimes distincts. De plus, malgré ses trois degrés de liberté, ce système est capable de reproduire les mécanismes de stick-slip, sprag-slip et couplage modal ainsi que les bruits de crissement, grincement et craquement rencontrés sur les systèmes automobiles. Des études paramétriques sont également présentées et mettent en avant des bifurcations de Hopf ainsi que l’effet déstabilisant potentiellement induit par l’amortissement. Des méthodologies permettant de catégoriser les réponses en termes de bruit et de mécanisme sont par la suite proposées. Les occurrences et risques de ces derniers sont alors analysés et des tendances sont dégagées. Enfin, la relation entre les bruits et les mécanismes est établie. L’attention est ensuite portée sur un système automobile particulier. Afin d’étudier son comportement crissant, les analyses de stabilité et les simulations temporelles sont désormais menées sur des modèles éléments-finis. Les simulations temporelles permettent d’observer l’établissement de vibrations auto-entretenues et d’identifier, parmi tous les modes instables prédits lors des analyses de stabilité, celui qui est réellement à l’origine de l’instabilité. L’effet du coefficient de frottement sur les motifs de coalescence et les cycles limites est également investigué. Le risque de crissement est ensuite évalué pour des conditions d’utilisation variées du système. La méthodologie, basée sur des analyses de stabilité, permet de retrouver les principaux constats expérimentaux obtenus sur banc d’essai. Le rôle des géométries et des matériaux constituant le système est également discuté. Enfin, une solution permettant de réduire de façon significative le risque de crissement est proposée. / Automotive friction-induced noises are the source of many customer complaints and lead to hugewarranty costs for car manufacturers. The objectives of the thesis are to improve the understanding ofthe physics at the origin of these noises and to propose numerical methodologies to eradicate them.A generic system is first investigated. This discrete system includes a contact between two masses anda Coulomb friction law with a discontinuity at zero relative velocity. Calculations of complex eigenvaluesof the linearized system around its sliding equilibrium position are carried out and show the presence offlutter and even divergence instabilities. Time simulations show that contact non-linearities permit tostabilize the vibrational levels in case of instability according to four distinct behaviors. Furthermore,despite its three degrees of freedom, this system is able to reproduce the stick-slip, sprag-slip and modecouplingmechanisms as well as the squeal, squeak and creak noises encountered in automotive systems.Parametric studies are also presented and highlight Hopf bifurcations as well as the destabilizing effectpotentially induced by damping. Methodologies allowing the categorization of the responses in termsof noise and mechanism are then proposed. Occurrences and risks of these noises and mechanismsare thus analyzed and trends are highlighted. The relationship between noises and mechanisms is alsoestablished.A specific automotive system is then considered. In order to study its squeal behavior, stabilityanalysis and time simulations are now carried out on finite element models. Time simulations allowto observe the establishment of self-excited vibrations and to identify, among all the unstable modespredicted by the stability analysis, the one which is actually the source of the instability. The effectof friction on the coalescence patterns and limit cycles is also investigated. The risk of squeal is thenevaluated in different operating conditions. The methodology, based on stability analysis, leads toresults in good agreement with the experimental observations. The role of geometries and materialsconstituting the system is also discussed. Finally, a solution with significantly low risk of squeal isproposed.

Une méthode de frontières immergées est développée pour la simulation d’écoulements compressibles et validée au travers de cas-tests spécifiques (réflexion d’ondes acoustiques et quantification de la conservation de la masse dans des canaux inclinés). La simulation aux grandes échelles (LES) d’une cavité transsonique est ensuite présentée. Le bouclage aéro-acoustique, très sensible aux conditions aux limites, est reproduit avec précision par la LES dans le cas où les parois sont immergées dans un maillage structurée. La comparaison des stratégies de modélisation de sous-maille pour cet écoulement transsonique et l’adaptation des filtres en présence de frontières immergées sont également discutées. Le rôle, souvent sous-estimé, du schéma de viscosité artificiel, est quantifié.Dans la dernière partie du manuscrit, des études sont réalisées pour aider au dimensionnement d’un nouveau concept de chambre de combustion où la flamme est stabilisée par la recirculation de gaz brûlés dans une cavité (chambre TVC pour Trapped Vortex Combustor). La modélisation de la combustion turbulente est basée sur une chimie tabulée, couplée à une fonction densité de probabilité présumée (PCM-FPI). L’étude de la dynamique de la flamme est réalisée pour diverses conditions de fonctionnement (débit de l’écoulement principal et présence ou non d’un swirl). Les spécificités de mise en œuvre de la simulation d’un écoulement de ce type sont discutées et un soin particulier est apporté au traitement de la condition de sortie, qui constitue un point sensible de la chaîne de modélisation. Les phénomènes d’instabilités et de retour de la flamme sont mis en évidence ainsi que les modifications à apporter au dispositif afin de minimiser ces effets. L’existence d’un cycle limite acoustique est souligné et une formule permettant d’anticiper le niveau des fluctuations de pression est proposée et validée. Une correction au modèle PCM-FPI est présentée afin de préserver la vitesse de flamme et d’assurer une reproduction plus précise de la dynamique de flamme. / An immersed boundary method has been developed for the simulation of compressible flow and validated with reference test cases (pressure wave reflection and quantification of mass conservation for various inclined channels). Large Eddy Simulation (LES) of a transonic cavity is then presented. The aeroacoustic feedback loop, which is highly sensitive to the boundary conditions, was accurately reproduced where the walls are immersed inside a structured grid. The comparison between the modeling approaches for this transonic flow and the correction of the filtering operation near immersed boundaries are also discussed. The often underestimated role of the numerical artificial dissipation is also quantified.In the last part of this manuscript, many studies are realized to help in the design of a new combustion chamber for Trapped Vortex Combustor (TVC). The turbulent combustion model is based on tabulated chemistry and a presumed probability density function (PCM-FPI) method.The flame dynamics is studied for various operating conditions (flowrate of the main flow and presence of swirl motion). Details concerning the realization of such a flow are discussed and special care is taken for the treatment of the most sensitive outlet boundary condition. The phenomena of combustion instabilities and of flame backflow are highlighted along with the modifications to be made for the device to minimize these effects. The existence of a acoustic limit cycle is emphasized and a formula is proposed and validated to anticipate the level of pressure fluctuations. Finally a correction to the PCM-FPI model is suggested to preserve the flame front speed and to ensure a more accurate description of the flame dynamics.

Cette thèse porte sur l'analyse mathématique des modèles de compétition de plusieurs espèces microbiennes sur une seule ressource dans un chémostat. L'objectif est de modéliser et démontrer la coexistence des espèces par divers mécanismes pour mieux rendre compte de la biodiversité que l'on trouve dans la nature, ainsi que dans les bioréacteurs. Nous nous somme intéressés principalement à trois mécanismes de coexistence : 1. La compétition inter-spécifique entre les populations de micro-organismes et intra-spécifiques entre les individus de la même espèce. 2. La floculation où l'espèce la plus compétitive inhibe sa propre croissance par la formation des flocs pour pouvoir coexister avec les autres espèces. En fait, ces bactéries en flocs consomment moins du substrat que les bactéries isolées puisqu'elles ont un moins bon accès au substrat, étant donné que cet accès au substrat est proportionnel à la surface extérieur du floc. 3. La densité-dépendance dont le modèle peut être construit à partir du modèle de floculation, en supposant que la dynamique de floculation est plus rapide que la croissance des espèces. Dans ce modèle densité-dépendant le taux de croissance dépend non seulement de la densité du substrat, mais aussi, de la densité de la biomasse, et le taux de prélèvement de la biomasse n'est pas constant mais dépend aussi de la densité de la biomasse. Enfin, nous avons étudié un modèle de digestion anaérobie à trois étapes avec dégradation enzymatique du substrat (matière organique), dont une partie peut être sous forme particulaire. L'analyse mathématique montre que le modèle peut présenter la quadri-stabilité avec lessivage d'aucune, d'une ou de deux espèces selon la condition initiale. L'étude mathématique du comportement qualitatif de différents modèles du chémostat, nous a permis de mieux comprendre la compétition et la coexistence des espèces microbiennes.

Il est bien connu que la synchronisation de l’activité oscillatoire dans les réseaux de neurones joue un rôle important dans le fonctionnement du cerveau et pour le traitement des informations données pas les neurones. Cette thèse porte sur l’analyse de l’activité de synchronisation en utilisant des outils et des méthodes issues de la théorie du contrôle et de la théorie de la stabilité. En particulier, deux modèles ont été étudiés pour décrire l’activité oscillatoire des réseaux de neurones : le modèle de Kuramoto et le modèle de Hindmarsh-Rose. Une partie de ce manuscript est consacrée à l’étude du modèle de Kuramoto, qui est un des systèmes les plus simples utilisé pour modéliser un réseau de neurones, avec une connexion complète (all-to-all). Il s’agit d’un modèle classique qui est utilisé comme une version simplifiée d’un réseau de neurones. Nous construisons un système linéaire qui conserve les informations sur les fréquences naturelles et sur les gains d’interconnexion du modèle original de Kuramoto. Les propriétés de stabilité de ce modèle sont ensuite analysées et nous montrons que les solutions de ce nouveau système linéaire convergent vers un cycle limite périodique et stable. Finalement, nous montrons que contraint au cycle limite, les dynamiques du système linéaire coïncident avec le modèle de Kuramoto. Dans une seconde partie, nous avons considéré un modèle de réseau de neurones plus proche de la réalité d’un point de vue biologique, mais qui est plus complexe que le modèle de Kuramoto. Plus précisément, nous avons utilisé le modèle de Hindmarsh-Rose pour décrire la dynamique de chaque neurone que nous avons interconnecté par un couplage diffusif (c’est à dire linéaire). A partir des propriétés de semi-passivité du modèle de Hindmarsh- Rose, nous avons analysé les propriétés de stabilité d’un réseau hétérogène de Rindmarsh-Rose. Nous avons également montré que ce réseau est pratiquement synchronisé pour une valeur suffisamment grande du gain d’interconnexion. D’autre part, nous avons caractérisé le comportement limite des neurones synchronisés et avons établi une approximation de ce comportement par une moyenne des dynamiques de tous les neurones. / It is widely recognized that rhythmic oscillatory activity in networks of neurons plays an important role in the brain functionning and a key role in processing neural information. This thesis is devoted to the analysis of this synchronized activity by using tools and methods issued from automatic control and stability theory. Two models are used to describe oscillatory activity of neural networks : Kuramoto model and network of Hindmarsh-Rose neurons. First, we consider Kuramoto model with complete (all-to-all) coupling, which is one of the simplest systems used to model neural network. For this model we construct an auxiliary linear system that preserves information on the natural frequencies and interconnection gains of the original Kuramoto model. Next, stability properties of this model are analyzed and we show that the solutions of the new linear system converge to a stable periodic limit cycle. Finally, we show that constrained to the limit cycle, dynamics of the linear system coincide with the original Kuramoto model. Second, a model for the network (population) with a better behavior, with respect to the Kuramoto model, from a biological point of view but more complex is considered. Particularly, we consider a network of diffusively coupled neurons where we use a Hindmarsh-Rose model to describe the dynamics of each individual neuron. Based on semi-passivity of individual Hindmarsh-Rose neurons, we analyse stability properties of a heterogeneous network of such neurons and show that network is practically synchronized for sufficient large values of interconnection gains. Moreover, we characterize the limiting synchronized behavior by using an averaging of all neuron dynamics.