Cette thèse étudie le problème d'identification de la topologie d'un réseau de systèmes complexes dynamiques, dont les sous-systèmes sont décrits par des équations différentielles ordinaires (EDO) et/ou par des équations différentielles à retard (EDR). La première partie de ce travail porte sur l’identification des paramètres du réseau de systèmes linéaires. Ainsi, différentes classes de systèmes linéaires ont été traitées, à savoir les systèmes sans retard, les systèmes à retard commensurable et les systèmes à entrées inconnues. Un observateur impulsif est proposé afin d'identifier à la fois les états et les paramètres inconnus de la classe de système dynamique considérée en temps fini. Afin de garantir l'existence de l'observateur impulsif proposé, des conditions suffisantes sont déduites. Des exemples illustratifs sont donnés afin de montrer l'efficacité de l'observateur en temps fini proposé.La deuxième partie de ce travail traite le problème de l'identification de la topologie d'un réseau de systèmes dynamiques non linéaires. Dans nos considérations, les coefficients interconnexions de la topologie du réseau sont considérés comme des paramètres constants. Par conséquent, l'identification de la topologie est équivalente à l'identification des paramètres inconnus. Tout d’abord, nous avons déduit des conditions suffisantes sur l’identifiabilité des paramètres, puis nous avons proposé un différenciateur uniforme avec convergence en temps fini pour estimer les paramètres inconnus / This thesis investigates the topology identification problem for network of dynamical complex systems, whose subsystems are described by ordinary differential equations (ODE) and/or delay differential equations (DDE). The first part of this work focuses on the parameters identification of the network of linear systems. Thus, different classes of linear systems have been treated namely systems without delay, systems with commensurable delay and systems with unknown inputs. An impulsive observer is proposed in order to identify both the states and the unknown parameters of the considered class of dynamic system in finite time. In order to guarantee the existence of the proposed impulsive observer, sufficient conditions are deduced. An illustrative example is given in order to show the efficiency of the proposed finite-time observer.The second part of this work treats the topology identification of the network of nonlinear dynamic systems. In our considerations, the topology connections are represented as constant parameters, therefore the topology identification is equivalent to identify the unknown parameters. A sufficient condition on parameter identifiability is firstly deduced, and then a uniform differentiator with finite-time convergence is proposed to estimate the unknown parameters

Stability analysis of networked dynamical systems has been of interest in many disciplines such as biology and physics and chemistry with applications such as LASER cooling and plasma stability. These large networks are often modeled to have a completely random (Erdös-Rényi) or semi-random (Small-World) topologies. The former model is often used due to mathematical tractability while the latter has been shown to be a better model for most real life networks. The recent emergence of cyber physical systems, and in particular the smart grid, has given rise to a number of engineering questions regarding the control and optimization of such networks. Some of the these questions are: How can the stability of a random network be characterized in probabilistic terms? Can the effects of network topology and system dynamics be separated? What does it take to control a large random network? Can decentralized (pinning) control be effective? If not, how large does the control network needs to be? How can decentralized or distributed controllers be designed? How the size of control network would scale with the size of networked system? Motivated by these questions, we began by studying the probability of stability of synchronization in random networks of oscillators. We developed a stability condition separating the effects of topology and node dynamics and evaluated bounds on the probability of stability for both Erdös-Rényi (ER) and Small-World (SW) network topology models. We then turned our attention to the more realistic scenario where the dynamics of the nodes and couplings are mismatched. Utilizing the concept of ε-synchronization, we have studied the probability of synchronization and showed that the synchronization error, ε, can be arbitrarily reduced using linear controllers. We have also considered the decentralized approach of pinning control to ensure stability in such complex networks. In the pinning method, decentralized controllers are used to control a fraction of the nodes in the network. This is different from traditional decentralized approaches where all the nodes have their own controllers. While the problem of selecting the minimum number of pinning nodes is known to be NP-hard and grows exponentially with the number of nodes in the network we have devised a suboptimal algorithm to select the pinning nodes which converges linearly with network size. We have also analyzed the effectiveness of the pinning approach for the synchronization of oscillators in the networks with fast switching, where the network links disconnect and reconnect quickly relative to the node dynamics. To address the scaling problem in the design of distributed control networks, we have employed a random control network to stabilize a random plant network. Our results show that for an ER plant network, the control network needs to grow linearly with the size of the plant network.

Distributed optimization over multi-agent networks has become an increasingly popular research topic as it incorporates many applications from various areas such as consensus optimization, distributed control, network resource allocation, large scale machine learning, etc. Parallel distributed solution algorithms are highly desirable as they are more scalable, more robust against agent failure, align more naturally with either underlying agent network topology or big-data parallel computing framework. In this dissertation, we consider a multi-agent optimization formulation where the global objective function is the summation of individual local objective functions with respect to local agents' decision variables of different dimensions, and the constraints include both local private constraints and shared coupling constraints. Employing and extending tools from the monotone operator theory (including resolvent operator, operator splitting, etc.) and fixed point iteration of nonexpansive, averaged operators, a series of distributed solution approaches are proposed, which are all iterative algorithms that rely on parallel agent level local updates and inter-agent coordination. Some of the algorithms require synchronizations across all agents for information exchange during each iteration while others allow asynchrony and delays. The algorithms' convergence to an optimal solution if one exists are established by first characterizing them as fixed point iterations of certain averaged operators under certain carefully designed norms, then showing that the fixed point sets of these averaged operators are exactly the optimal solution set of the original multi-agent optimization problem. The effectiveness and performances of the proposed algorithms are demonstrated and compared through several numerical examples.<br>

Les arbres classiques de distribution du signal d’horloge au sein des microprocesseurs synchrones présentent un certain nombre de limitations : skew, jitter, limitation de la fréquence, influence de perturbations et de dispersions quelles que soient leurs natures. Ces facteurs, critiques pour les microprocesseurs modernes complexes, sont devenus la raison principale qui a poussé à la recherche d’autres types d’architecture de génération et de distribution du signal d’horloge. Un exemple d’un tel système alternatif est le réseau de PLLs couplées, où les PLLs sont géographiquement distribuées sur la puce, et génèrent des signaux d’horloge locaux qui sont ensuite synchronisés, en temps réel, par un échange d’information entre les PLLs voisines et une rétroaction locale réalisé par leur correcteurs. La nature active du réseau de PLLs de génération et de distribution du signal d’horloge, qui peut permettre de surpasser les limitations mentionnées plus tôt, oblige à sortir du cadre classique des outils et des méthodes de la Microélectronique habituellement appliqués à l’étude et à la conception de ce type de systèmes. En effet, les aspects dynamiques de bouclage et de transformation de signaux au sein de tels systèmes complexes rendent leur conception extrêmement difficile voire parfois impossible. La difficulté principale consiste en un changement des propriétés d’un sous-système local indépendant par rapport aux propriétés du même sous-système faisant partie du réseau. Effectivement, il existe beaucoup de méthodes et d’outils de conception d’une PLL isolée garantissant un comportement et des propriétés locales désirés. Néanmoins, ces propriétés désirées locales, selon la topologie d’interconnexion considérée, ne sont pas forcément conservées quand il s’agit d’un réseau de PLLs interconnectées et de son comportement global. Le but principal de cette thèse est ainsi de développer une méthode de synthèse de la loi de commande décentralisée réalisée au sein de chaque sous-système (tel qu’une PLL) assurant le comportement désiré pour le réseau global. Une méthode de transformation du problème de synthèse globale en un problème équivalent de synthèse d’une loi de commande locale est proposée en se basant sur l’hypothèse des sous-systèmes identiques interconnectés en réseau. Le lien entre les propriétés locales et globales est établi grâce aux approches d’Automatique avancée telles que les approches entrée-sortie et la dissipativité. Ce choix de méthode permet non seulement de réduire considérablement la complexité du problème initial mais aussi de ramener le problème de synthèse à une forme proche des méthodes de conception locale utilisées en Microélectronique, ce qui garantit une continuité logique de leur évolution. Ensuite la méthode proposée est combinée avec la commande H∞ et l’optimisation sous contraintes LMIs conduisant au développement d’algorithmes efficaces de résolution du problème posé. Elles sont à la fois particulièrement bien adaptées à l’application considérée, c’est-à-dire à la synchronisation d’un réseau de PLLs, et sont facilement généralisables aux autres types de problèmes de commande de systèmes de grande dimension. Le premier aspect permet une intégration naturelle et aisée de la méthode dans le flux de conception existant en Microélectronique, très riche et mature à ce jour, alors que le deuxième offre une solution à d’autres problèmes de commande de systèmes interconnectés en réseau, un champ d’application aujourd’hui en plein essor. / The classical clock distribution trees used in the synchronous microprocessor systems in nowadays have several drawbacks such as skew, jitter, frequency limitation, perturbation and disturbance behavioral impact independently of their origin, etc.. These factors, critical for the modern microprocessors, motivate the research of an alternative architecture of the clock generation and distribution system. An example of such alternative architectures is the network of coupled PLLs where the PLLs are geographically distributed on the chip and produce the local clock signals. These local clock signals are then synchronized, in real time, by an exchange of information between the PLLs and by local feedback corrections realized by its controllers. Distributed PLLs network allows overcoming the mentioned limitation encountered for the classical clock distribution system. However, the active nature of this network requires going beyond the scope of usual stand-alone PLL design methods. Indeed, the dynamical aspects of the feedback loops and the transformations of the signal inside this complex system make the design problem extremely difficult to solve. The main issue consists in ensuring certain properties of the global network as well as local properties of each subsystem PLL because those properties may change drastically from independent stand-alone PLL designed with standard tools and methods. Indeed, depending on the network topology, the local properties and global dynamical behavior are not necessarily ensured for the overall network. The main contribution of this PhD thesis is the development of a control law design method for each subsystem (such as PLL) ensuring the desired behavior of the global network. A method for transforming the global design problem to an equivalent local control law design problem is proposed. It is based on the assumption that all subsystems are identical. The relation between the local and global properties is established using advanced Control System Theory tools such as input-output and dissipativity principle. This principle decreases significantly the problem complexity by transforming the design problem into a form that is closed to the design of a stand-alone closed loop system. The proposed method is combined with robust H∞ control and LMI optimization that can be solved efficiently with appropriate algorithms that are well suited for the considered application i.e. the PLLs network synchronization. The proposed approach can be easily generalized to other types of networked system to be controlled.

Les sujets discutés dans cette thèses’inscrivent dans le cadre général des systèmesinterconnectés. Nous abordons les réseauxmulti-agent qui ont des tâches coopératives etnous proposons un nouveau protocole deconsensus qui comporte des retards et desagents anticipatifs. Nous étudions lesconditions pour lesquelles un réseau organiséconformément au protocole proposé atteint leconsensus. Nous dérivons également desrésultats théoriques valables pour une classeplus générale de systèmes. Ces résultatsconcernent le cas des racines multiples surl’axe des imaginaires, situation qui peutcorrespondre aux réseaux avec une topologiechangeante.Dans notre approche, nous discutonsséparément le cas des racines multiples àl’origine et racines multiples sur l’axe desimaginaires sauf l’origine. Un autre résultatimportant comporte un nouveau modèle pourun réseau génétique qui fonctionne comme unmultiplexeur. Ce circuit innovant utilise troisentrées pour commander deux signaux desortie. Nous effectuons une analyse destabilité pour le modèle proposé et nousdémontrons que son point d’équilibre estunique et stable. Pour valider ce réseaugénétique, nous étudions également le modèlestochastique dérivé du modèle déterministe. / This thesis discusses diverse types ofinterconnected systems through networks. Weaddress networks of agents with cooperativetasks and propose a new consensus protocolwith delays and anticipatory agents. We studythe consensus reaching conditions for networksorganized under the proposed model.Moreover, we derive some theoretical results,which can apply to a more general class ofsystems, concerning stability issues when theconsidered system has multiple imaginaryroots. In terms of networks, this situation cancorrespond to the case of switching topologynetworks, when the network can even bedisconnected at some point.We separately discuss the case of zerocharacteristic roots, and roots laying on theimaginary axis, except the origin. Finally, wepropose a gene network model with afunctionality similar to a multiplexer circuit.Thus, we control two outputs with three inputsignals, and we carry out a stability analysis.We prove the uniqueness and the stability ofthe network steady states, and validate thecontinuous and deterministic model with astochastic model.