Les contrôleurs à réinitialisation sont une classe de systèmes hybrides dont la valeur de tout ou partie des états peut être instantannément modifiée sous certaines conditions algébriques. Cette interaction entre dynamique temps-continu et temps-discret de ces contrôleurs permet souvent de dépasser les limites des contrôleurs temps- continu. Dans cette thèse, nous proposons des conditions constructives (sous forme d'Inégalités Matricielles Linéaires) pour analyser la stabilité et les performances de boucle de commande incluant un contrôleur à réinitialisation. En particulier, nous prenons en compte la présence de saturation en amplitude des actionneurs du système. Ces non- linéarités sont souvent source d'une dégradation des performances voir d'instabilité. Les résultats proposés permettent d'estimer le domaine de stabilité et un niveau de performance pour ces systèmes, en s'appuyant sur des fonctions de Lyapunov quadratiques ou quadratiques par morceaux. Au delà de l'aspect analyse, nous exposons deux approches pour améliorer la région de stabilité (nouvelle loi de réinitialisation et stratégie "anti- windup").

Les contrôleurs à réinitialisation sont une classe de systèmes hybrides dont la valeur de tout ou partie des états peut être instantannément modifiée sous certaines conditions algébriques. Cette interaction entre dynamique temps-continu et temps-discret de ces contrôleurs permet souvent de dépasser les limites des contrôleurs temps-continu. Dans cette thèse, nous proposons des conditions constructives (sous forme d’Inégalités Matricielles Linéaires) pour analyser la stabilité et les performances de boucle de commande incluant un contrôleur à réinitialisation. En particulier, nous prenons en compte la présence de saturation en amplitude des actionneurs du système. Ces non-linéarités sont souvent source d'une dégradation des performances voir d’instabilité. Les résultats proposés permettent d’estimer le domaine de stabilité et un niveau de performance pour ces systèmes, en s’appuyant sur des fonctions de Lyapunov quadratiques ou quadratiques par morceaux. Au delà de l'aspect analyse, nous exposons deux approches pour améliorer la région de stabilité (nouvelle loi de réinitialisation et stratégie « anti-windup »). / Hybrid controllers are flexible tools for achieving system stabilization and/or performance improvement tasks. More particularly, hybrid controllers enrich the spectrum of achievable trade-offs. Indeed, the interaction of continuous- and discrete-time dynamics in a hybrid controller leads to rich dynamical behavior and phenomena not encountered in purely continuous-time system. Reset control systems are a class of hybrid controllers whose states are reset depending on an algebraic condition. In this thesis, we propose constructive conditions (Linear Matrix Inequalities) to analyze stability and performance level of a closed-loop system including a reset element. More particularly, we consider a magnitude saturation which could be the source of undesirable effects on these performances, including instability. Proposed results estimate the stability domain and a performance level of such a system, by using Lyapunov-like approaches. Constructive algorithms are obtained by exploiting properties of quadratic - or piecewise quadratic - Lyapunov functions. Beyond analysis results, we propose design methods to obtain a stability domain as large as possible. Design methods are based on both continuous-time approaches (anti-windup compensator) and hybrid-time approaches (design of adapted reset rules).

Ces dernières années, les techniques d'imagerie ont fait l'objet de beaucoup d'améliorations. Elles permettent de fournir des images numériques 2D ou 3D précises de zones parfois invisibles à l’œil nu. Ces techniques s'appliquent dans de nombreux domaines comme l'industrie cinématographique, la photographie ou l'imagerie médicale... Dans cette thèse, l'imagerie sera utilisée pour effectuer des simulations numériques en la couplant avec un solveur éléments finis. Nous présenterons, en premier lieu, la morphologie mathématique et la méthode d'immersion d'image. Elles permettront l'extraction d'informations permettant la transformation d'une image dans un maillage exploitable. Puis, une méthode itérative d'adaptation de maillage basée sur un estimateur d'erreur sera utilisée afin de construire un maillage optimal. Ainsi, un maillage sera construit uniquement avec les données d'une image. Nous proposerons également une nouvelle méthodologie pour construire une fonction régulière a l'aide d'une méthode de réinitialisation de la distance signée. Deux avantages sont à noter : l'utilisation de la fonction régularisée permet une bonne adaptation de maillage. De plus, elle est directement utilisable par le solveur éléments finis. Les simulations numériques sont donc réalisées en couplant éléments finis stabilisés, adaptation de maillage anisotrope et réinitialisation. L'objectif de cette thèse est donc de simplifier le calcul numérique à partir d'image, d'améliorer la précision numérique, la construction d'un maillage automatique et de réaliser des calculs numériques parallèles efficaces. Les applications envisagées peuvent être dans le domaine médical, de la physique des matériaux ou du design industriel. / Imaging techniques have well improved in the last decades. They may accurately provide numerical descriptions from 2D or 3D images, opening perspectives towards inner information, not seen otherwise, with applications in different fields, like medicine studies, material science or urban environments. In this work, a technique to build a numerical description under the mesh format has been implemented and used in numerical simulations when coupled to finite element solvers. Firstly, mathematical morphology techniques have been introduced to handle image information, providing the specific features of interest for the simulation. The immersed image method was then proposed to interpolate the image information on a mesh. Then, an iterative anisotropic mesh adaptation operator was developed to construct the optimal mesh, based on the estimated error concerning the image interpolation. The mesh is thus directly constructed from the image information. We have also proposed a new methodology to build a regularized phase function, corresponding to the objects we wish to distinguish from the image, using a redistancing method. Two main advantages of having such function are: the gradient of the regularized function performs better for mesh adaptation; the regularized function may be directly used for the finite element solver. Stabilized finite element flow and advection solvers were coupled to the constructed anisotropic mesh and the redistancing function, allowing its application to multiphase flow numerical simulations. All these developments have been extended in a massively parallel context. An important objective of this work is the simplification of the image based computations, through a modified way to segment the image and by coupling all to an automatic way to construct the mesh used in the finite element simulations.

La motivation principale de cette thèse était de pouvoir simuler numériquement les procédés de mise en œuvre des propergols, comme le mélange et le remplissage de Booster. La viscosité de ce type de fluide implique durant la phase de remplissage l'apparition d'oscillations toroïdales caractéristiques du phénomène appelé Fluid Buckling. Ce phénomène est particulièrement difficile à représenter numériquement car l'interface entre le fluide et l'air présente une surface libre dont la complexité augmente avec le temps. C'est pourquoi, c'est cet exemple qui a été choisi pour valider l'efficacité d'une méthode numérique de représentation des surfaces libres. Nous avons pour cela choisit d'implémenter dans la librairie de calcul CimLib une méthode de type Level Set. Celle-ci a pour particularité d'effectuer l'étape de convection et l'étape de réinitialisation, indispensables à ce type de résolution, simultanément. De plus, la fonction distance a été tronquée aux alentours de l'interface à l'aide d'une fonction sinus, obtenant ainsi une fonction niveau sinusoïdale auto-déterminante. La résolution est stabilisée à l'aide d'une méthode de type SUPG. L'implémentation finale de la méthode est facilitée puisque le problème est réduit à une unique équation de convection d'une fonction Level Set Locale. Après une série de tests classiques de validation de méthode de surface libre, notre méthode a donc été validée en 2 et 3 Dimensions en simulant l'apparition du Fluid Buckling. La méthode a ensuite été implémentée dans les deux logiciels de simulation et validée sur des cas tests industriels prédéfinis de remplissage et de mélange. Les défauts obtenus numériquement correspondent à ceux attendus expérimentalement. La méthode est aujourd'hui utilisée pour simuler de nombreux autres procédés et a montré sa robustesse particulièrement dans des procédés multifluides. Afin d'optimiser la visualisation des défauts d'interfaces et de diminuer les temps de calcul, on peut envisager comme suite de ces travaux de recherche l'adaptation du maillage à proximité de l'interface et du pas de temps, le tout de façon automatique.

Ce manuscrit présente des résultats de recherche concernant une certaine classe de systèmes hybrides. Les systèmes hybrides peuvent être utilisés pour la modélisation de systèmes physiques complexes et hétérogènes dont l'évolution dans le temps présente des phénomènes discrets, tels que les commutations des convertisseurs ou les impacts des systèmes mécaniques. De la même manière, la théorie hybride peut être utilisée pour concevoir des contrôleurs hybrides, en général plus performants par rapport aux contrôleurs à temps continu. Dans ce cadre, les résultats de ce manuscrit peuvent être divisés en trois parties. D'abord des résultats de stabilité par rapport à un indice de performance de type Hinfini sont présentés pour une classe plutôt large de systèmes hybrides. Ensuite, nous introduisons de nouvelles architectures de contrôleurs hybrides pour les systèmes à temps continu, caractérisées par le fait que leur état peut être réinitialisé en fonction de la trajectoire. Enfin, nous présentons une technique de synthèse convexe pour la conception d'un contrôleur hybride multi-objectif. La comparaison avec les résultats classique met en évidence les avantages en termes de performance par rapport aux contrôleurs à temps continu classiques, tout en préservant la propriété de robustesse et la simplicité de conception. Bien que la théorie hybride soit en plein développement, ces travaux généralisent certains résultats existants, en améliorant la simplicité d'implémentation des solutions grâce à l'utilisation de la programmation semi-définie. En plus les architectures de contrôleurs hybrides présentées ont l'avantage de simplifier la généralisation de quelques résultats classiques concernant la synthèse optimale par rapport à des indices de performance communs.