Contrôlabilité par le bord de quelques systèmes paraboliques couplés avec conditions de Robin ou de Kirchhoff

Boundary controllability of some coupled parabolic systems with Robin or Kirchhoff conditions

• Auteur / Autrice : Kuntal Bhandari
• Direction : Franck Boyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 22/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mathématiques de Toulouse (2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations différentielles paraboliques

Carleman, Méthode de

Conditions de Robin

Mots clés libres

Contrôlabilité par le bord

Systèmes paraboliques

Conditions de Robin

Conditions de type Kirchhoff

Inégalité Carleman

Méthode des moments

Analyse spectrale

Boundary controllability

Parabolic systems

Robin conditions

Kirchhoff-type condition

Carleman estimate

Moments method

Spectral analysis

Résumé

Dans cette thèse, on étudie la contrôlabilité à zéro par le bord de quelques systèmes paraboliques linéaires couplés par des termes de couplage intérieur et/ou au bord. Le premier chapitre est une introduction à l'ensemble du manuscrit. Dans le deuxième chapitre, on rappelle les principaux concepts et résultats autour des notions de contrôlabilité qui seront utilisés dans la suite. Dans le troisième chapitre, on étudie principalement la contrôlabilité par le bord d'un système couplé 2x2 de type cascade avec des conditions au bord de Robin. En particulier, on prouve que les contrôles associés satisfont des bornes uniformes par rapport aux paramètres de Robin et convergent vers un contrôle de Dirichlet lorsque les paramètres de Robin tendent vers l'infini. Cette étude fournit une justification, dans le contexte du contrôle, de la méthode de pénalisation qui est couramment utilisée pour prendre en compte des données de Dirichlet peu régulières en pratique. Dans le quatrième et dernier chapitre, on étudie d'abord la contrôlabilité à zéro d'un système 2x2 en dimension 1 contenant des termes de couplage à la fois à l'intérieur et au bord du domaine. Plus précisément, on considère une condition de type Kirchhoff sur l'un des bords du domaine et un contrôle de Dirichlet sur l'autre bord, dans l'une ou l'autre des équations. En particulier, on montre que les propriétés de contrôle du système diffèrent selon que le contrôle agisse sur la première ou sur la seconde équation, et selon les valeurs du coefficient de couplage intérieur et du paramètre de Kirchhoff. On étudie ensuite un modèle 3x3 avec un ou deux contrôle(s) aux limites de Dirichlet à une extrémité et une condition de type Kirchhoff à l'autre extrémité ; ici la troisième équation est couplée (couplage intérieur) avec la première. Dans ce cas, on obtient ce qui suit : en considérant le contrôle sur la première équation, on a contrôlabilité conditionnelle dépendant des choix du coefficient de couplage intérieur et du paramètre de Kirchhoff, et en considérant le contrôle sur la deuxième équation, on obtient toujours une contrôlabilité positive. En revanche, considérer un contrôle sur la troisième équation conduit à un résultat de contrôlabilité négative. Dans cette situation, on a besoin de deux contrôles aux limites sur deux des trois équations pour retrouver la contrôlabilité. Enfin, on expose quelques études numériques basées sur l'approche pénalisée HUM pour illustrer les résultats théoriques, ainsi que pour tester d'autres exemples.

In this thesis, we study the boundary null-controllability of some linear parabolic systems coupled through interior and/or boundary. We begin by giving an overall introduction of the thesis in Chapter 1 and we discuss some essentials about the notion of parabolic controllability in the second chapter. In Chapter 3, we investigate the boundary null-controllability of some 2x2 coupled parabolic systems in the cascade form where the boundary conditions are of Robin type. This case is considered mainly in space dimension 1 and in the cylindrical geometry. We prove that the associated controls satisfy suitable uniform bounds with respect to the Robin parameters, which let us show that they converge towards a Dirichlet control when the Robin parameters go to infinity. This is a justification of the popular penalization method for dealing with Dirichlet boundary data in the framework of the controllability of coupled parabolic systems. Coming to the Chapter 4, we first discuss the boundary null-controllability of some 2x2 parabolic systems in 1-D that contains a linear interior coupling with real constant coefficient and a Kirchhoff-type condition through which the boundary coupling enters in the system. The control is exerted on a part of the boundary through a Dirichlet condition on either one of the two state components. We show that the controllability properties vary depending on which component the control is being applied; the choices of interior coupling coefficient and the Kirchhoff parameter play a crucial role to deduce positive or negative controllability results. Thereafter, we study a 3x3 model with one or two Dirichlet boundary control(s) at one end and a Kirchhoff-type boundary condition at the other; here the third equation is coupled (interior) through the first component. In this case we obtain the following: treating the control on the first component, we have conditional controllability depending on the choices of interior coupling coefficient and the Kirchhoff parameter, while considering a control on the second component always provides positive result. But in contrast, putting a control on the third entry yields a negative controllability result. In this situation, one must need two boundary controls on any two components to recover the controllability. Further in the thesis, we pursue some numerical studies based on the penalized Hilbert Uniqueness Method (HUM) to illustrate our theoretical results and test other examples in the framework of interior-boundary coupled systems.