Contrôle et estimation en temps fini de certaines classes d'EDP

Finite-time control and estimation of some classes of PDEs

• Auteur / Autrice : Salim Zekraoui
• Direction : Wilfrid Perruquetti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, génie informatique, traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 31/10/2023
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Mathématiques, sciences du numérique et de leurs interactions (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille - Centre de Recherche en Informatique- Signal et Automatique de Lille (CRIStAL) - UMR 9189 / CRIStAL
• Jury : Président / Présidente : Christophe Prieur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wilfrid Perruquetti, Frédéric Mazenc, Nikolaos Bekiaris-Liberis, Delphine Bresch-Pietri, Michael Defoort, Nicolás Espitia Hoyos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Mazenc, Nikolaos Bekiaris-Liberis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Observateurs d'états (mathématiques)

Équations différentielles à retard

Équations différentielles paraboliques

Théorie de la commande

Stabilité de Liapounov

Fonctions de Liapounov

Mots clés libres

Stabilité en temps fini

Estimation des états

Stabilisation

Systèmes LTI avec retards

Equations aux dérivées partielles

Approche basée sur les fonctions de Lyapunov

Backstepping

Finite-Time stability

States estimation

Stabilization

LTI systems with delays

Partial differential equations

Lyapunov-based approach

Backstepping

Résumé

L'objectif principal de cette thèse est d'explorer et d'analyser les problèmes d'estimation et destabilisation non-asymptotique (en temps fini, fixe, et prescrit) de certaines classes de systèmes de dimensioninfinie, notamment les systèmes linéaires invariants en temps avec retards (ponctuels ou distribués) d'entrée oude sortie et les équations aux dérivées partielles (EDP) de type réaction-diffusion. Comme les résultats existantssur ces classes de systèmes sont peu nombreux, nous commençons par revoir les concepts et les résultats sur lesoutils non asymptotiques pour les systèmes de dimension infinie. Ensuite, nous étendons ces outils pour les systèmesde dimension infinie. Dans ce contexte, nous commençons par le problème de compensation, en temps fini/fixe,des retards d'entrée et de sortie pour les systèmes LTI en utilisant la méthode du backstepping pour les EDP(avec des transformations inversibles non-linéaires et/ou variant en temps). Pour appliquer cette approche, nousreformulons le système considéré en une cascade de système EDO-EDP où la partie EDP est une équation detransport hyperbolique qui modélise l'effet du retard sur l'entrée/sortie. Ensuite, nous traitons le problème dela stabilisation frontière en temps fini/fixe d'une classe des EDP de réaction-diffusion. À notre connaissance,ce problème est resté ouvert dans la littérature pendant une période considérable. Nous abordons ce problèmecomplexe à l'aide de méthodes classiques liées aux Fonctions de Lyapunov de Contrôle (CLF). Nous donnonsquelques indications sur l'extension de cette approche au problème de stabilisation entrée-état (ISS) et au problèmedu suivi en temps fini/fixe pour les EDP de réaction-diffusion. Nous soulignons les limitations de notre méthodepour la conception des observateurs. Enfin, nous abordons le problème de la compensation, en temps prescrit, desretards d'entrée des systèmes de réaction-diffusion par une commande par retour d'état basée sur un observateur enutilisant la méthode du backstepping pour les EDP. Ce problème est difficile, car il nécessite de traiter la conceptiondes observateurs et des contrôleurs avec des gains variant en temps qui tendent vers l'infini lorsque le temps serapproche du temps prescrit de convergence

This Ph.D. thesis is devoted to the problems of non-asymptotic (finite, fixed, prescribed-time) estimation and stabilization of some classes of infinite-dimensional systems, namely LTI systems subject to input/sensor (pointwise or distributed) delays and reaction-diffusion PDEs. As the existing results on these classes of systems are few, we begin by reviewing relevant concepts and results on non-asymptotic tools (including homogeneity-based tools and time-varying tools) for finite-dimensional systems. Afterward, we extend these tools to infinite-dimensional settings. Firstly, we start with the problem of input and sensor delay compensation in finite/fixed/prescribed time of LTI systems where we use the so-called backstepping approach for PDEs (with some nonlinear and/or time-varying invertible transformations). To apply this approach, we reformulate the considered LTI system into a cascade ODE-PDE system where the PDE part is a hyperbolic transport equation that models the effect of the delay on the input/output. Secondly, we consider the problem of boundary state-dependent finite/fixed-time stabilization of reaction-diffusion PDEs. To the best of our knowledge, this problem has remained open in the literature for a considerable long time. We tackle this challenging problem using classical methods related to Control Lyapunov functions. We provide some hints on how we to extend this approach to input-to-state stabilization and non-asymptotic tracking problem for reaction-diffusion PDEs. We point out the limitations of our approach to observer design. Finally, we tackle the problem of input delay compensation of reaction-diffusion systems in prescribed time by output feedback using the backstepping approach. This problem is challenging, as one deals with observer and control designs with some time-varying gains that go to infinity when the time gets closer to the prescribed time of convergence, which brings additional challenges and issues. Dealing with these challenges requires introducing novel infinite-dimensional time-varying backstepping transformations in conjunction with advanced predictor-based concepts adapted to parabolic PDEs