Thèses (M.Sc.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2001. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

La thèse retrace les principes généraux des formulations explicites pour la commande prédictive et souligne la structure linéaire par morceaux de la dynamique. Les contributions principales de ce travail de thèse résident dans la construction des ensembles invariants pour les systèmes affines par morceaux (PWA). Les résultats se concentrent sur le traitement des systèmes PWA définis sur une partition polyédrale de l'espace d'état même si les principes sont applicables dans un cadre plus général. Trois constructions remarquables peuvent être mises en évidence : – la construction expansive, – la construction contractive, – la construction basée sur les graphes des transitions. Au niveau méthodologique toutes ces constructions étant basées sur la dynamique directe ou en temps inverse des ensembles de l'espace d'état, elles impliquent un traitement géométrique au moins dans la partie de comparaison avec le domaine faisable qui peut s'avérer gourmand en temps de calcul. Une solution innovante a été proposée en exploitant l'analyse par intervalles. Il est intéressant d'observer que la construction des ensembles invariants ouvre la voie au post-traitement des lois de commandes prédictives en vue de la maximisation de leur domaine de fonctionnement avec garantie de sureté. Des comparaisons sont faites entre les différentes structures MPC avec d'une part les formulations qui bénéficient du renforcement de l'invariance dès la phase de synthèse et d'autre part les formulations explicites qui bénéficient de la post analyse pour la caractérisation des domaines viables. En outre, le présent travail fait état des extensions MPC à base de ces méthodes géométriques pour le suivi de trajectoire, pour la prise en compte des incertitudes paramétriques ou d'un retard variable à l'entrée du système. Une grande partie de ces développements théoriques sont illustrés par des exemples au fur et à mesure de leur introduction. Le mémoire contient aussi l'étude d'un problème de suivi de trajectoire et de faisabilité/viabilité d'un certain profil, avec application pour la production d'électricité en conjonction avec la caractérisation d'une vallée hydraulique.

Dans ce mémoire d'Habilitation à Diriger les Recherches, seront présentées les recherches menées ces cinq dernières années sur des sujets liés à la commande sous contraintes, à la commande basée sur l'optimisation temps-réel et aux méthodes géométriques en Automatique. La première partie du mémoire d'écrit le parcours académique permettant de recadrer les résultats de recherche dans un parcours scientifique avec toutes ses dimensions la formation, l'enseignement, la recherche, le développement et la participation à la vie de la communauté. Dans la deuxième partie, nous retraçons le chemin de la commande optimale à la commande basée sur l'optimisation. Avec ce panorama historique nous montrerons que les recherches dans ce domaine ont toujours été partagées entre les travaux théoriques et les applications à visée industrielle. Ce panorama sera suivi d'une revue de méthodes géométriques utilisées en automatique, qui identifie une direction dans laquelle s'inscrit notre recherche. Nous insisterons sur les contributions dans le domaine avant d'établir un projet de recherche à court, moyen et long terme. La troisième partie contient une synthèse des travaux de recherche publiés récemment sur les sujets mentionnés précédemment afin d'offrir une image des directions explorées et des concepts clés qui ont guidé nos recherches dans les cinq dernières années. L'analyse des polyèdres paramétrés est présentée comme un problème de géométrie avec des implications multiples dans la commande prédictive sous contraintes dans le cas linéaire et hybride. Spécifiquement pour la commande prédictive des systèmes hybrides, des approches alternatives basées sur l'adaptation du modèle de prédiction en vue de l'exploitation des routines d'optimisation évoluées (algorithmes génétiques, etc.) ont été développées. Les outils géométriques sont utilisés aussi dans des problèmes plus éloignés de la commande prédictive comme le cas de la modélisation des systèmes affectés par un retard variable. Ici, les techni-ques géométriques permettent la description des modèles linéaires polytopiques qui peuvent être utilisés par la suite dans une procédure de synthèse de lois de commande robuste (et prédictive accessoirement). Finalement, dans un tout autre domaine, celui de la commande des systèmes multi-capteurs, on montre que les méthodes ensemblistes peuvent apporter des réponses pour les défis de détection et isolation des défauts. Quant à la commande prédictive, elle offre le cadre approprié pour la reconfiguration, l'autre aspect majeur de ce qu'on appelle communément " la conception d'un système de commande tolérant aux défauts ".

Cette thèse est dédiée à l’analyse du retard (de calcul ou induit par la communication), qui représente un des paramètres sensibles, et qui doit être pris en compte, pour la mise en œuvre de la Commande Prédictive en temps réel d’un processus dynamique. Dans la première partie, nous avons abordé le problème d’existence des ensembles D-invariants et avons fourni par la suite des conditions nécessaires et/ou suffisantes pour l’existence de ces ensembles. En outre, nous avons détaillé quelques nouvelles idées sur la construction des ensembles D-invariants en utilisant des algorithmes itératifs et d’autres algorithmes basés sur des techniques d’optimisation à deux niveaux. La seconde partie a été consacrée à l’étude du problème de robustesse des systèmes linéaires discrets affectés par un retard variable en boucle fermée avec un contrôleur affine par morceaux défini sur une partition polyédrale de l’espace d’état. L’étude a porté sur l’analyse de la fragilité d’une telle loi commande en présence du retard dans la boucle. Nous avons décrit les marges d’invariance robustes définies comme étant le plus grand sous-ensemble de l’incertitude paramétrique pour lequel l’invariance positive est garantie par rapport à la dynamique en boucle fermée en présence du retard. La dernière partie de cette thèse s’est articulée autour de la conception des lois de commande prédictives avec un attention particulière aux modèles linéaires discrets décrivant des dynamiques affectées par des contraintes en présence du retard. Nous avons proposé plusieurs méthodes offrant différentes solutions au problème de stabilisation locale sans contrainte. Afin d’assurer la stabilité et de garantir la satisfaction des contraintes, nous avons exploité le concept d’invariance et à l’aide du formalisme "ensemble terminal-coût terminal", un problème d’optimisation a été formulé où les états sont forcés d’atteindre l’ensemble maximal admissible d’états retardés/D-invariant à la fin de l’horizon de prédiction. Enfin, nous avons étudié le problème de stabilisation des systèmes continus commandés en réseau soumis à des retards incertains et éventuellement variant dans le temps. Nous avons montré que les ensembles λ-D-contractifs peuvent être utilisés comme ensembles cibles où la stratégie de commande consiste en un simple problème de programmation linéaire ’LP’ qui peut être résolu en ligne. / The research conducted in this thesis has been focusing on Model Predictive Control (MPC) and the implication of network induced time-varying delays. We have addressed, in the first part of this manuscript, the existence problem and the algorithmic computation of positive invariant sets in the state space of the original discrete delay difference equation. The second part of these thesis has been devoted to the study of the robustness problem for a specific class of dynamical systems, namely the piecewise affine systems, defined over a polyhedral partition of the state space in the presence of variable input delay. The starting point was the construction of a predictive control law which guarantees the existence of a non-empty robust positive invariant set with respect to the closed-loop dynamic. The variable delay inducing in fact a model uncertainty, the objective was to describe the robust invariance margins defined as the largest subset of the parametric uncertainty for which the positive invariance is guaranteed with respect to the closed-loop dynamics in the presence of small and large delays. The last part has been dedicated to Model Predictive Control design with a specific attention to linear discrete time-delay models affected by input/state constraints. The starting point in the analysis was the design of a local stabilizing control law using different feedback structures. We proposed several design methods offering different solutions to the local unconstrained stabilization problem. In order to ensure stability and guarantee input and state constraints satisfaction of the moving horizon controller, the concept of positive invariance related to time-delay systems was exploited. Using the "terminal setterminal cost" design, the states were forced to attain the maximal delayed-state admissible set at the end of the prediction horizon. Finally, we have investigated the stabilization problem of Networked Control Systems ’NCSs’ subject to uncertain, possibly time-varying, network-induced delays. We showed that λ-D-contractive sets can be used as a target sets in a set induced Lyapunov function control fashion where a simple Linear Programming ’LP’ problem is required to be solved at each sampling instance.

De nos jours, la plupart des assistances électriques pour vélos sont principalement basées sur des mesures de variables mécaniques. Cette thèse se concentre sur l'analyse du cycliste et du vélo dans son ensemble, afin de concevoir une loi de commande qui prenne en compte des contraintes physiologiques. En ce sens, la relation entre les indices physiologiques et les variables mécaniques est abordée. En particulier, dynamique d'échange de gaz pendant le pédalage est modélisée et analysée. Le modèle obtenu est linéaire à paramètres variables en temps discret. Les données mesurées de différents tests de cyclisme efectués au sein du GIPSA-Lab sont utilisées pour son calibration. La méthodologie d'identification paramétrique est développée comme solution à une séquence de problèmes d'optimisation non linéaire et non contraints. Le modèle dynamique d'échange de gaz fait référence à la détermination de la production excessive de dioxyde de carbone, qui est considérée comme un état physiologique indésirable du cycliste. En outre, un observateur de la production de dioxyde de carbone est mis en oeuvre en utilisant des mesures de la consommation d'oxygène et de la puissance de pédalage, ce qui fournit un intervalle déterministe contenant l'état réel. Enfin, une méthode est présentée pour trouver les conditions suffisantes sur la puissance de pédalage qui garantissent des niveaux admissibles de production de dioxyde de carbone. / Nowadays, most of the electrical assistances for bicycles are mainly based onmeasurements of mechanical variables. In this dissertation, cyclist and bicycle are considered as a whole energetic system in order to conceive physiology-aware control strategies. In this sense, the relationships between physiological indices and mechanical variables are studied. In particular, the gas exchange dynamics during cycling is modeled and analysed. The obtained model is discrete-time and linear parameter varying. Measured data of different cycling tests performed in GIPSA-Lab are used for its calibration. A methodology for parametric identification is developed as a solution of a sequence of non-linear unconstrained optimization problems. The gas exchange dynamical model allows the determination of excess carbon dioxide production, which is considered as an unsuitable physiological-state of the cyclist. Furthermore, a set-membership observer of carbon dioxide production is implemented using measurements of oxygen consumption and pedal power. It provides a deterministic interval which contains the real state. Finally, this thesis presents a method for finding the suficient conditions on the pedal power that guarantee admissible levels of carbon dioxide production.

On cherchera dans cette thèse à prouver l'existence d'ensembles invariants pour des systèmes continus et l'existence de noyaux de viabilité pour des systèmes à commutation (dépendant de l'espace ou du temps) dans des sous-ensembles de l'espace des phases. Ces objets sont des plus importants dans la théorie des systèmes dynamiques, ils peuvent être décrits de manière informelle comme étant des ensembles qui, lorsque le système dynamique y entre, il y restera à tout jamais. Pour prouver l'existence de tels ensembles on utilisera une propriété topologique dite propriété (ou principe) de Wazewski. On présentera alors une méthode effective pour pouvoir appliquer ce principe à des systèmes continus premièrement. Puis nous généraliserons cette première méthode pour pouvoir la rendre applicable aussi à des systèmes à commutation. / We aim at proving the existence of invariants sets for continuous systems and viability kernels for (time-dependent and state-dependent) switched systems in compact subsets of the phase space. They are of the most important objects of dynamical systems theory. They can be described informally by saying that they are subsets such that, if the dynamical system goes inside, it will remain inside forever. For proving the existence of such sets we will use a topological property named the Wazewski property (or principle).We will firstly present an effective method for applying this principle for continuous systems and then we will generalize this first method in order to make it applicable also for switched systems.

On considère la synthèse de la commande basée sur un asservissement affecté par des retards. L’approche utilisée repose sur des méthodes ensemblistes. Une partie de cette thèse est consacrée à une conception de commande active pour la compensation des retards qui apparaissent dans des canaux de communication entre le capteur et correcteur. Ce problème est considéré dans une perspective générale du cadre de commande tolérante aux défauts où des retards variés sont vus comme un mode particulier de dégradation du capteur. Le cas avec transmission de mesure retardée pour des systèmes avec des capteurs redondants est également examiné. Par conséquent, un cadre unifié est proposé afin de régler le problème de commande basé sur la transmission des mesures avec retard qui peuvent également être fournies par des capteurs qui sont affectés par des défauts soudains.Dans la deuxième partie le concept d’invariance positive pour des systèmes linéaires à retard à temps discret est exposé. En ce qui concerne l’invariance pour cette classe des systèmes dynamiques, il existe deux idées principales. La première approche repose sur la réécriture d’un tel système dans l’espace d’état augmenté et de le considérer comme un système linéaire. D’autre part, la seconde approche considère l’invariance dans l’espace d’état initial. Cependant, la caractérisation d’un tel ensemble invariant est encore une question ouverte, même pour le cas linéaire. Par conséquent, l’objectif de cette thèse est d’introduire une notion générale d’invariance positive pour des systèmes linéaires à retard à temps discret. Également, certains nouveaux éclairages sur l’existence et la construction pour les ensembles invariants positifs robustes sont détaillés. En outre, les nouveaux concepts d’invariance alternatives sont décrits. / We considered the process regulation which is based on feedback affected by varying delays. Proposed approach relies on set-based control methods. One part of the thesis examines active control design for compensation of delays in sensor-to controller communication channel. This problem is regarded in a general perspective of the fault tolerant control where delays are considered as a particular degradation mode of the sensor. Obtained results are also adapted to the systems with redundant sensing elements that are prone to abrupt faults. In this sense, an unified framework is proposed in order to address the control design with outdated measurements provided by unreliable sensors.Positive invariance for linear discrete-time systems with delays is outlined in the second part of the thesis. Concerning this class of dynamics, there are two main approaches which define positive invariance. The first one relies on rewriting a delay-difference equation in the augmented state-space and applying standard analysis and control design tools for the linear systems. The second approach considers invariance in the initial state-space. However, the initial state-space characterization is still an open problem even for the linear case and it represents our main subject of interest. As a contribution, we provide new insights on the existence of the positively invariant sets in the initial state-space. Moreover, a construction algorithm for the minimal robust D-invariant set is outlined. Additionally, alternative invariance concepts are discussed.

Le thème principal de ce mémoire est la commande sous contraintes pour des systèmes à retard, en tenant compte de la problématique d’échantillonnage (où les informations concernant le système en temps continu sont, par exemple, envoyées par un réseau de communication) et de la présence de contraintes sur les trajectoires du système et sur l’entrée de commande. Pendant le processus d’échantillonnage, le retard variable dans le temps peut être traité comme une incertitude, le but étant de confiner cette variation dans un polytope, de façon à couvrir toutes les variations possibles du retard. Pour stabiliser des systèmes à retard, nous nous sommes basés sur la théorie de Lyapunov. En utilisant cette méthode, nous pouvons trouver un retour d’état qui stabilise le système malgré la présence du retard variable dans la boucle. Une autre possibilité est l’utilisation des candidates de Lyapunov-Krasovskii. La théorie des ensembles invariants est largement utilisée dans ce manuscrit, car il est souhaitable d’obtenir une région de ≪ sûreté ≫, ou le comportement du système est connu, en dépit de la présence du retard (variable) et des contraintes sur les trajectoires du système. Lorsqu’ils sont obtenus dans l’espace d’état augmenté, les ensembles invariants sont très complexes, car la dimension de l’espace Euclidien sera proportionnelle à la taille du système mais aussi à la taille du retard. Le concept de D-invariance est ainsi proposé. La commande prédictive (en anglais MPC) est présentée, pour tenir compte des contraintes sur les trajectoires et appliquer une commande optimale à l’entrée du système. / The main interest of the present thesis is the constrained control of time-delay system, more specifically taking into consideration the discretization problem (due to, for example, a communication network) and the presence of constraints in the system’s trajectories and control inputs. The effects of data-sampling and modeling problem are studied in detail, where an uncertainty is added into the system due to additional effect of the discretization and delay. The delay variation with respect to the sampling instants is characterized by a polytopic supra-approximation of the discretization/delay induced uncertainty. Some stabilizing techniques, based on Lyapunov’s theory, are then derived for the unconstrained case. Lyapunov-Krasovskii candidates were also used to obtain LMI conditions for a state feedback, in the ``original” state-space of the system. For the constrained control purposes, the set invariance theory is used intensively, in order to obtain a region where the system is ``well-behaviored”, despite the presence of constraints and (time-varying) delay. Due to the high complexity of the maximal delayed state admissible set obtained in the augmented state-space approach, in the present manuscript we proposed the concept of set invariance in the ``original” state-space of the system, called D-invariance. Finally, in the las part of the thesis, the MPC scheme is presented, in order to take into account the constraints and the optimality of the control solution.

Dans ce travail, nous proposons deux nouvelles approches ensemblistes pourl’estimation d’état basées sur la caractérisation explicite des bornes d’erreur d’estimation. Ces approches peuvent être vues comme la combinaison entre un observateur ponctuel et une caractérisation ensembliste de l’erreur d’estimation. L’objectif est de réduire la complexité de leur implémentation, de réduire le temps de calcul en temps réel et d’améliorer la précision et des encadrements des vecteurs d’état.La première approche propose un observateur ensembliste basé sur des ensembles invariants ellipsoïdaux pour des systèmes linéaires à temps-discret et aussi des systèmes à paramètres variables. L’approche proposée fournit un intervalle d’état déterministe qui est construit comme une somme entre le vecteur état estimé du système et les bornes de l’erreur d’estimation. L’avantage de cette approche est qu’elle ne nécessite pas la propagation des ensemble d’état dans le temps.La deuxième approche est une version intervalle de l’observateur d’état de Luenberger, pour les systèmes linéaires incertains à temps-discret, basés sur le calcul d’intervalle et les ensembles invariants. Ici, le problème d’estimation ensembliste est considéré comme un problème d’estimation d’état ponctuel couplé à une caractérisation intervalle de l’erreur d’estimation. / In This work, we propose two main new approaches for the set-membershipstate estimation problem based on explicit characterization of the estimation error bounds. These approaches can be seen as a combination between a punctual observer and a setmembership characterization of the observation error. The objective is to reduce the complexity of the on-line implimentation, reduce the on-line computation time and improve the accuracy of the estimated state enclosure.The first approach is a set-membership observer based on ellipsoidal invariant sets for linear discrete-time systems and also for Linear Parameter Varying systems. The proposed approach provides a deterministic state interval that is build as the sum of the estimated system states and its corresponding estimation error bounds. The important feature of the proposed approach is that does not require propagation of sets.The second approach is an interval version of the Luenberger state observer for uncertain discrete-time linear systems based on interval and invariant set computation. The setmembership state estimation problem is considered as a punctual state estimation issue coupled with an interval characterization of the estimation error.

Dans cette thèse de doctorat, nous apportons quelques contributions à la stabilité de Lyapunov non-régulière des inclusions différentielles de premier ordre avec opérateurs monotones maximaux, dans un cadre Hilbertien de dimension infini. Nous fournissons des caractérisations explicites, primales et/ou duales, des paires de Lyapunov faibles et fortes, dont les fonctions sont semi-continues inférieurement à valeurs réelles étendues, et associées à des inclusions différentielles dont la partie de droite est gouvernée par des perturbations Lipschitziennes des opérateurs dits Cusco F, ou des opérateurs monotones maximaux A, ou les deux à la fois x(t) ∈ F(x(t}} A(x(t}} t ≥ 0, x(0) ∈ domA. De manière équivalente, nous étudions l'invariance faible et forte des ensembles fermés pour ces inclusions différentielles. Comme dans L'approche classique de Lyapunov à la stabilité des équations différentielles, les résultats présentés dans cette thèse n'utilisent que les données du système différentiel; c'est-à-dire, l'opérateur A et la multifonction F, et donc pas besoin de connaître les solutions, ni les semi-groupes générés par les opérateurs monotones en question. Parce que les paires de Lyapunov sont formées par des fonctions qui sont simplement semi-continues inférieurement, et les ensembles invariants ne sont que ensembles fermés, nous faisons usage dans cette thèse à des outils de l'analyse non-lisse, afin de fournir des critères du premier ordre, utilisant des sous-différentiels généraux et des cônes normaux. Nous fournissons une analyse similaire pour les inclusions différentielles gouvernées par le cône normal proximal à des ensembles prox-réguliers. Notre analyse ci-dessus, nous a permis de présenter ces systèmes prox-réguliers d’apparence plus générale, comme des inclusions différentielles avec opérateurs monotones maximaux. Nous utilisons aussi nos résultats pour étudier la géométrie des opérateurs monotones maximaux, et plus précisément, la caractérisation de la frontière des valeurs de ces opérateurs seulement au moyen des valeurs situées à proximité, distinctes du point de référence. Ce résultat a des applications dans la stabilité des problèmes de la programmation semi-infinie. Nous utilisons également nos résultats sur les paires de Lyapunov et les ensembles invariants pour établir une étude systématique des observateurs de type Luenberger pour des inclusions différentielles avec des cônes normaux à des ensembles prox-réguliers. / In this PhD thesis, we make some contributions to nonsmooth Lyapunov stability of first-order differential inclusions with maximal monotone operators, in the setting of infinite-dimensional Hilbert spaces. We provide primal and dual explicit characterizations for parameterized weak and strong Lyapunov pairs of lower semicontinuous extended-real-valued functions, referred to as a-Lyapunov pairs, associated to differential inclusions with right-hand-sides governed by Lipschitz or Cusco perturbationsF of maximal monotone operators A, x(t) ∈ F(x(t}} A(x(t}} t ≥ 0, x(0) ∈ domA. Equivalently, we study the weak and strong invariance of sets with respect to such differential inclusions. As in the classical Lyapunov approach to the stability of differential equations, the presented results make use of only the data of the differential system; that is, the operator A and the multifunction F, and so no need to know about the solutions, nor the semi-groups generated by the monotone operators. Because our Lyapunov pairs and invariant sets candidates are just lower semicontinuous and closed, respectively, we make use of nonsmooth analysis to provide first-order-like criteria using general subdifferentials and normal cones. We provide similar analysis to non-convex differential inclusions governed by proximal normal cones to prox-regular sets. Our analysis above allowed to prove that such apparently more general systems can be easily coined into our convex setting. We also use our results to study the geometry of maximal monotone operators, and specifically, the characterization of the boundary of the values of such operators by means only of the values at nearby points, which are distinct of the reference point. This result has its application in the stability of semi-infinite programming problems. We also use our results on Lyapunov pairs and invariant sets to provide a systematic study of Luenberger-like observers design for differential inclusions with normal cones to prox-regular sets.