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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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58documents trouvés

17152
22/06/2017

Guidance and robust control methods for the approach phase between two orbital vehicles with coupling between translational and rotational motions

L.URBINA IGLESIAS

MAC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 22 Juin 2017, 221p., Président: Y.LABIT, Rapporteurs: H.PIET-LAHANNIER, D.HENRY, Examinateurs: J.CRESPO MORENO, R.VAZQUEZ VALENZUELA, Y.ARIBA, Directeurs de thèse: D.ARZELIER, C.LOUEMBET, Membres invités: J.C.BERGES, D.LOSA , N° 17152

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01591851

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Résumé

Les techniques liées au vol en formation et aux opérations de proximité de satellites autonomes font partie des technologies opérationnelles spatiales les plus marquantes et les plus ambitieuses de ces dernières années. En particulier, cela nécessite la complète maitrise des phases de rendezvous proche et de survol par un satellite actif avec un satellite, une station ou un débris passif. Le développement de systèmes GNC (Guidage Navigation Contrôle) associés performants et sûrs repose sur la connaissance d’un modèle dynamique réalisant un bon compromis entre faible complexité et prise en compte suffisante des principales caractéristiques dynamiques et cinématiques de ce type de systèmes. La première partie de cette thèse est consacrée au développement d’une modélisation unifiée de la dynamique relative couplée entre un satellite coopératif chasseur et un satellite cible non coopérative. En effet, lorsque deux satellites sont proches l’un de l’autre, ils ne peuvent plus être traités comme des masses ponctuelles, car leur forme et leur taille affectent le mouvement relatif entre les points de masse décentralisés, conduisant à un couplage des mouvements de translation et de rotation. Ce développement est abordé de manière progressive: le mouvement de translation relatif non linéaire est décrit sous hypothèses képlériennes dans le repère orbital de la cible ainsi que le modèle linéarisé associé. Ensuite, le modèle non linéaire d’attitude relative est présenté au moyen des paramètres d’Euler-Rodrigues. Enfin, le formalisme des quaternions duaux est utilisé afin d’obtenir le modèle relatif couplé en translation et en attitude. La phase de modélisation du mouvement relatif linéaire de translation a ainsi permis de mettre en évidence certaines transformations de coordonnées conduisant à une caractérisation intéressante des trajectoires périodiques du chasseur et ainsi de proposer un premier type de loi de contrôle de guidage pour la phase d’approche et de survol. Dans l’ensemble de notre travail, nous considérons un chasseur équipé de propulseurs chimiques et l’hypothèse classique des poussées impulsionnelles. Ce type de systèmes dynamiques conciliant dynamique continue et contrôle impulsionnel se définit naturellement comme une classe particulière de systèmes dynamiques hybrides. Plusieurs lois de contrôle hybrides sont alors proposées afin de stabiliser le chasseur sur une trajectoire de référence périodique proche de la cible. Les propriétés de stabilité et de convergence de ces différentes lois sont analysées et de nombreuses simulations numériques montrent les forces et les faiblesses de chaque contrôleur en termes d’indices de performance commele temps de convergence, la consommation ainsi que des contraintes de sécurité. Dans un second temps, des contraintes opérationnelles supplémentaires (contraintes de visibilité par exemple) sont prises en considération en imposant une direction d’approche rectiligne (glideslope) au chasseur. Cette trajectoire impose au satellite chasseur de suivre une droite dans n’importe quelle direction du repère local reliant l’emplacement courant du chasseur à sa destination finale. Sous l’hypothèse de propulsion impulsionnelle, les résultats existant dans la littérature pour ce type d’approche ont été généralisés aux orbites elliptiques en identifiant une nouvelle formulation du problème comprenant des degrés de liberté utiles qui permettent de minimiser la consommation de carburant tout en contrôlant l’excursion de la trajectoire libre en dehors de la droite de glideslope en la confinant dans un couloir d’approche défini par l’utilisateur. La synthèse des lois de guidage ainsi obtenues repose sur la résolution de problèmes d’optimisation SDP dans le cas général ou linéaire pour les cas plus simples d’approche standards du type V-bar ou R-bar.

Abstract

The techniques related to formation flying and proximity operations of autonomous satellites belong to the most significant and challenging operational space technologies of the last years. In particular, they require full mastery of the close-range rendezvous and observation phases by an active satellite with a passive satellite, station or debris. The development of efcient and safe associated Guidance, Navigation and Control (GNC) systems relies on the knowledge of a dynamic model that achieves a good trade-off between low complexity and sufficient inclusion of the main dynamic and kinematic characteristics of this type of systems. The first part of this thesis is devoted to the development of a unified modeling of the relative coupled dynamics between a cooperative chaser satellite and a non-cooperative target satellite. Indeed, when two satellites are close to each other, they can no longer be treated as point masses because their shape and size affect the relative motion between the decentralized points, leading to a translational-attitude motions coupling. This development is addressed in a progressive way: the relative nonlinear translational motion is described under Keplerian assumptions in the target’s orbital reference frame, as well as the associated linearized model. Then, the nonlinear relative attitude model is presented by means of the Euler-Rodrigues parameters. Finally, the dual quaternion formalism is used to obtain the relative translational and attitude coupled model. The modeling phase concerning the linear relative translational motion has allowed us to highlight certain coordinates transformations leading to an interesting characterization of the chaser’s periodic trajectories and thus, to propose a first type of control lawfor the close-phase rendezvous and observation phases. All along this work, we consider a chaser satellite equipped with chemical thrusters under the classical hypothesis of impulsive thrusts. This type of dynamic systems gathering continuous dynamics and impulsive control naturally belongs to a particular class of dynamical hybrid systems. Several hybrid control laws are then proposed in order to stabilize the chaser on a periodic reference trajectory close to the target. The stability and convergence properties of these different laws are analysed and several numerical simulations show the strengths and weaknesses of each controller in terms of performance indices such as convergence time, consumption and safety constraints. In a second step, additional operational constraints (line-of-sight constraints for example) are taken into account by imposing a rectilinear (glideslope) direction to the chaser. This trajectory requires the chaser satellite to follow a straight line in any direction of the local reference frame and connecting the current location of the chaser to its final destination. Under the impulsive propulsion assumptions, the results in the literature for this type of approach have been generalized to elliptic orbits by identifying a newformulation of the problem including useful degrees of freedom, which allowminimizing the fuel consumption while controlling the humps of the trajectory outside the glideslope line by enclosing it in a user-defined approach corridor. Guidance laws are therefore synthetized via the solution of an SDP optimisation problem in the general case and via a linear programming when considering standard cases like the V-bar or R-bar approaches.

Mots-Clés / Keywords
Couplages; Glideslope; Guidage; Rendez-vous; Systèmes hybrides; Systèmes impulsionnels;

140155
16392
02/12/2016

Sur la modélisation et la commande de l’anesthésie en milieu clinique

S.ZABI

MAC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 2 Décembre 2016, 183p., Président: P.DANES, Rapporteurs: M.JUNGERS, M.ALAMIR, Examinateurs: C.IONESCU, Directeurs de thèse: I.QUEINNEC , N° 16392

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01417231

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Abstract

This thesis deals with the modelling and control of anesthesia from a theoretical and formal angle. The general anesthesia of a patient during an operation consists for the anesthesiologist in checking the hypnotic and analgesic state of the patient (avoid over or under dosage) by adjusting the perfusion of analgesic and/or hypnotics substances based on clinical indicators such as BIS for hypnosis or pupillary surface variation for analgesia. This manuscript consists of three parts. The rst denes the concepts and key words used in the eld of anesthesia, presents an introduction to the modelling and control of anesthesia from the viewpoint of a control systems engineering, recalls the characteristics and constraints of control of the anesthesia systems and establishes a state of the art of works of the literature. The second part concerns the control of hypnosis which is performed in two phases : induction and maintenance. In the rst phase (induction), a minimal time control is calculated to bring the patient from his awakening state to the neighbourhood of a target equilibrium corresponding to an objective of the BIS. Once the patient state is close to the target state, the second phase (maintenance) consists in ensuring that the patient state remains in an invariant set where the BIS is guaranteed between 40 and 60 and possibly follows constant references . In this phase, the synthesis of the control laws (state feedback and dynamic output feedback) takes into account the saturation of the control, the positivity of the system, the variability of the patients, ... In the third part,we begin by proposing a novel indicator for the depth of analgesia and modelling the variation of the pupillary surface. Taking into account the quantication of the measures of this indicator, we propose the synthesis of a dynamic output feedback control. Then, a stability analysis is carried out taking into account the sampling of the measures.

Résumé

138217
16509
25/10/2016

On distributed control analysis and design for multi-agent systems subject to limited information

L.DAL COL

MAC

Doctorat : INSA de Toulouse, 25 Octobre 2016, 149p., Président: M.KIEFFER, Rapporteurs: M.D.DI BENEDETTO, M.C.TURNER, Examinateurs: D.DIMAROGONAS, P.FRASCA, Directeurs de thèse: S.TARBOURIECH, L.ZACCARIAN , N° 16509

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01483757

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Résumé

Les systèmes multi-agents sont des systèmes dynamiques composes par plusieurs éléments qui interagissent entre eux. Ces éléments sont appelés agents. Un agent est un système dynamique caractérisé par deux propriétés. La première est que les agents sont autonomes— c’est-a-dire qu’ils ne sont pas dirigés par l’environnement extérieur et ils peuvent évoluer selon un comportement auto-organisé. La seconde est que les agents sont capables de communiquer entre eux pour accomplir des tâches complexes, telles que la coopération, la coordination et la résolution de conflits. L’un des problèmes courants concernant les systèmes multi-agents est la synchronisation. Les agents sont synchronisés lorsque leur évolution dans le temps converge vers une trajectoire commune. Plusieurs applications du monde réel peuvent être conceptualisé comme des problèmes de synchronisation des systèmes multi-agents : par exemple, l’alignement en vitesse (flocking en anglais), et le contrôle de la formation du mouvement de groupes cohérents. La synchronisation des systèmes multi-agents peut être obtenue grâce à différentes techniques de contrôle. Dans cette thèse nous proposons des méthodes de contrôle centralisées et distribuées pour la synchronisation des systèmes multi-agents. Nous développons des conditions nécessaires et suffisantes pour la synchronisation des systèmes multi-agents, composes par des agents identiques et linéaires qui ne changent pas dans le temps, en utilisant une approche Lyapunov. Ces conditions sont utilisées pour la conception de lois de contrôles distribuées. Ensuite, nous étendons les résultats aux systèmes multi-agents soumis `a des perturbations externes, assurant un niveau de performance désiré grâce a une technique de contrôle de type 𝐻∞. Enfin, nous étendons l’analyse aux systèmes multi-agents avec contraintes sur les actionneurs, en utilisant des techniques de contrôle anti-windup. Nous évaluons l’efficacité et les performances des stratégies de contrôle proposées dans plusieurs simulations, dont deux d’entre elles sont inspirées par des applications issues du monde réel. La première est le contrôle du vol en formation d’avions, et la seconde est l’analyse de la transmission de contenus vidéo comme un problème de synchronisation. Nous comparons aussi les résultats obtenus avec des techniques de contrôle alternatives.

Abstract

Multi-agent systems are dynamical systems composed of multiple interacting elements known as agents. Each agent is a dynamical system with two characteristics. First, it is capable of autonomous action—that is, it is able to evolve according to a self-organised behavior, which is not influenced by the external environment. Second, it is able to exchange information with other agents in order to accomplish complex tasks, such as coordination, cooperation, and conflict resolution. One commonly studied problem in multi-agent systems is synchronization. The agents are synchronized when their time evolutions converge to a common trajectory. Many real-world applications, such as flocking and formation control, can be cast as synchronization problems. Agent synchronization can be achieved using different approaches. In this thesis, we propose distributed and centralized control paradigms for the synchronization of multi-agent systems. We develop necessary and sufficient conditions for the synchronization of multi-agent systems, composed by identical linear time-invariant agents, using a Lyapunov-based approach. Then we use these conditions to design distributed synchronization controllers. Then, we extend this result to multi-agent systems subject to external disturbances enforcing disturbance rejection with 𝐻∞ control techniques. Furthermore, we extend the analysis to multi-agent systems with actuator constraints using LMI-based anti-windup techniques. We test the proposed control design strategies in simulated examples among which two are inspired by real-world applications. In the first, we study airplane formation control as a synchronization problem. In the second, we analyze the delivery of video streams as a synchronization problem and we compare the results to existing controllers.

Mots-Clés / Keywords
Consensus and synchronization; Distributed control; Lyapunov approach; Multi-agent systems; Nonlinear systems;

138913
16009
15/01/2016

Synthèse de commande pour des réseaux de communication énergétiquement performants

W.ZOUAOUI

SARA, MAC

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 15 Janvier 2016, 122p., Président: T.GAYRAUD, Rapporteurs: D.SIMON, A.MELLOUK, Examinateurs: L.GALLON, Directeurs de thèse: C.ALBEA SANCHEZ, Y.LABIT , N° 16009

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01280075

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Abstract

The computer tools (as the routers and calculators among others) present a high energy consumption. This problem has been already included in mobile networks. The question of energy is just beginning to be considered for "fixed" large-scale systems that reach nowadays high sizes. The objective of this thesis is to address the problem of energy consumption in wired communication networks : provide a certain level of quality of service (QoS) with respect to the packet lost, response speed and robustness with respect to different sampling periods while controlling power consumption of the system. The goal is to design a method from the theory of control, which guarantees these QoS. This technique is applied locally to a network equipment (router, switch . . . ) and the control law used to distribute temporally the traffic through a controlled node in the wired communications networks. In this work, we considere that the communication between nodes are performed by routers ALR type. In order to deal with energy reduction problem, we propose an extended ALR energy model adapted to control theory. For this model, we need to choose two parameters ( , ) allowing to choose the queue length reference, qref , and the related update timewindow, Tqref . These parameters have been chosen after performing some simulations with different combinations of parameters ( , ). We have seen that the variation of these two parameters provide an impact over the QoS as well as the energy reduction. The theoretical results are then tested in Matlab-Simulink as well as some experiments under the simulator NS-2. Simulations showed that the energy consumption in communications networks is reduced while ensuring a certain level of QoS.

Résumé

Les outils informatiques (comme les routeurs et calculateurs entre autres) sont des consommateurs accrus d’énergie. Cette problématique a été déjà prise en compte dans les réseaux mobiles. La question de l’énergie commence juste à être prise en compte pour les systèmes «fixes» à grande échelle qui atteignent de nos jours des tailles impressionnantes. L’objectif de cette thèse est de traiter le problème de la consommation de l’énergie dans les réseaux de communication filaires : fournir un certain niveau de qualité de service (QdS) par rapport à la perte des paquets, la vitesse de réponse et la robustesse par rapport aux différentes périodes d’échantillonnages tout en contrôlant la puissance consommée du système. Le but est de concevoir une méthode à partir de la théorie de la commande, qui consiste à garantir un certain nombre de paramètres de QdS. Cette technique est appliquée au niveau local d’un équipement réseau (routeur, switch . . . ). La loi de commande permet de distribuer temporellement le trafic qui traverse un noeud contrôlé dans les réseaux de communication filaires. Dans ce travail, nous avons considéré que les noeuds de communications sont des routeurs de type ALR. Pour traiter le problème de la consommation énergétique dans les réseaux de communication filaires, nous avons proposé un modèle énergétique ALR étendu adapté à la théorie de commande. Pour ce modèle, nous avons besoin de choisir deux paramètres ( , ), permettant de choisir la taille de file d’attente de référence qref et sa fenêtre temporelle d’actualisation Tqref .Ce deux paramètres ont été choisis à partir de plusieurs simulations avec différentes combinaisons des paramètres ( , ). Nous avons vu que la variation de ces deux paramètres permet d’agir énormément sur la QdS ainsi que sur la quantité d’énergie réduite. Les résultats théoriques sont ensuite testés sur Matlab-Simulink, puis sur le simulateur de réseaux NS-2. Les simulations ont montré que la consommation énergétique dans les réseaux de communication est bien réduite tout en garantissant un certain niveau de QdS.

Mots-Clés / Keywords
Réseaux de communication; Contrôleur de flux éco-conscient; Modèle d’énergie; QdS; ADREAM; Théorie de commande; Communication networks; Eco-conscious flow controller; Power model; Control theory;

136097
15580
10/12/2015

Opérations de proximité en orbite : évaluation du risque de collision et calcul de manoeuvres optimales pour l’évitement et le rendez-vous

R.SERRA

MAC

Doctorat : INSA de Toulouse, Décembre 2015, 195p., Président: H.ZIDANI, Rapporteurs: J.F.BONNANS, R.HENRION, Examinateurs: A.BOUTONNET, M.JOLDES, B.SALVY, Directeurs de thèse: D.ARZELIER, A.RONDEPIERRE , N° 15580

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01261497

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Résumé

Cette thèse traite de l'évitement de collision entre un engin spatial opérationnel, appelé objet primaire, et un débris orbital, dit secondaire. Ces travaux concernent aussi bien la question de l'estimation du risque pour une paire d'objets sphériques que celle du calcul d'un plan de manoeuvres d'évitement pour le primaire. Pour ce qui est du premier point, sous certaines hypothèses, la probabilité de collision s'exprime comme l'intégrale d'une fonction gaussienne sur une boule euclidienne, en dimension deux ou trois. On en propose ici une nouvelle méthode de calcul, basée sur les théories de la transformée de Laplace et des fonctions holonomes. En ce qui concerne le calcul de manoeuvres de propulsion, dfférentes méthodes sont développées en fonction du modèle considéré. En toute généralité, le problème peut être formulé dans le cadre de l'optimisation sous contrainte probabiliste et s'avère dfficile à résoudre. Dans le cas d'un mouvement considéré comme relatif rectiligne, l'approche par scénarios se prête bien au problème et permet d'obtenir des solutions admissibles. Concernant les rapprochements lents, une linéarisation de la dynamique des objets et un recouvrement polyédral de l'objet combiné sont à la base de la construction d'un problème de substitution. Deux approches sont proposées pour sa résolution : une première directe et une seconde par sélection du risque. Enfin, la question du calcul de manoeuvres de proximité en consommation optimale et temps fixé, sans contrainte d'évitement, est abordée. Par l'intermédiaire de la théorie du vecteur efficacité, la solution analytique est obtenue pour la partie hors-plan de la dynamique képlérienne linéarisée.

Abstract

This thesis is about collision avoidance for a pair of spherical orbiting objects. The primary object - the operational satellite - is active in the sense that it can use its thrusters to change its trajectory, while the secondary object is a space debris that cannot be controlled in any way. Onground radars or other means allow to foresee a conjunction involving an operational spacecraft, leading in the production of a collision alert. The latter contains statistical data on the position and velocity of the two objects, enabling for the construction of a probabilistic collision model. The work is divided in two parts : the computation of collision probabilities and the design of maneuvers to lower the collision risk. In the first part, two kinds of probabilities - that can be written as integrals of a Gaussian distribution over an Euclidean ball in 2 and 3 dimensions - are expanded in convergent power series with positive terms. It is done using the theories of Laplace transform and D-finite functions. In the second part, the question of collision avoidance is formulated as a chance-constrained optimization problem. Depending on the collision model, namely short or long-term encounters, it is respectively tackled via the scenario approach or relaxed using polyhedral collision sets. For the latter, two methods are proposed. The first one directly tackles the joint chance constraints while the second uses another relaxation called risk selection to obtain a mixed-integer program. Additionaly, the solution to the problem of fixed-time fuelminimizing out-of-plane proximity maneuvers is derived. This optimal control problem is solved via the primer vector theory.

Mots-Clés / Keywords
Optimisation; Contrainte probabiliste; Approche scénarios; Evitement de collision; Probabilité de collision; Développement en série; Fonctions holonomes; Collision en orbite; Débris spatiaux; Rendez-vous; Commande optimale; Vecteur effcacité; Optimization; Chance constraint; Scenario approach; Collision avoidance; Collision probability; Series expansion; D-finite functions; Orbital collision; Space debris; Rendezvous; Optimal control; Primer vector;

135926
15553
21/10/2015

On quantization and sporadic measurements in control systems: stability, stabilization, and observer design

F.FERRANTE

MAC

Doctorat : ISAE de Toulouse, Octobre 2015, 255p., Président: J.M.BIANNIC, Rapporteurs: A.GIRARD, D.LIBERZON, Examinateurs: P.FRASCA, C.PRIEUR, R.G.SANFELICE, Directeurs de thèse: S.TARBOURIECH, F.GOUAISBAUT , N° 15553

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01261508

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Résumé

Dans cette thèse, nous aborderons deux aspects fondamentaux qui se posent dans les systèmes de commande modernes du fait de l'interaction entre des processus en temps continu et des dispositifs numériques: la synthèse de lois de commande en présence de quantificateurs et l'estimation d'état en présence de mesures sporadiques. Une des caractéristiques principales de cette thèse consiste également à proposer des méthodes constructives pour résoudre les problèmes envisagés. Plus précisément, pour répondre à cette exigence, nous allons nous tourner vers une approche basée sur les inégalités matricielles linéaires (LMI). Dans la première partie de la thèse, nous proposons un ensemble d'outils constructifs basés sur une approche LMI, pour l'analyse et la conception de systèmes de commande quantifiés impliquant des modèles et des correcteurs linéaires. L'approche est basée sur l'utilisation des inclusions différentielles qui permet de modéliser finement le comportement de la boucle fermée et ainsi d'obtenir des résultats intéressants. Dans la seconde partie de la thèse, inspirés par certains schémas d'observation classiques présentés dans la littérature, nous proposons deux observateurs pour l'estimation de l'état d'un système linéaire en présence de mesures sporadiques, c'est-à-dire prenant en compte la nature discrète des mesures disponibles. De plus, en se basant sur une des deux solutions présentées, une architecture de commande basée observateur est proposée afin de stabiliser asymptotiquement un système linéaire en présence à la fois de mesures sporadiques et d'un accès intermittent à l'entrée de commande du système.

Abstract

In this dissertation, two fundamental aspects arising in modern engineered control systems will be addressed: On the one hand, the presence of quantization in standard control loops. On the other hand, the state estimation in the presence of sporadic available measurements. These two aspects are addressed in two different parts. One of the main feature of this thesis consists of striving to derive computer-aided tools for the solution to the considered problems. Specifically, to meet this requirement, we revolve on a linear matrix inequalities (LMIs) approach. In the first part, we propose a set of LMI-based constructive Lyapunov-based tools for the analysis and the design of quantized control systems involving linear plants and linear controllers. The entire treatment revolves on the use of differential inclusions as modeling tools and on stabilization of compact sets as a stability notion. In the second part of the thesis, inspired by some of the classical observation schemes presented in the literature of sampled-data observers, we propose two observers to exponentially estimate the state of a linear system in the presence of sporadic measurements. In addition, building upon one of the two observers, an observer-based controller architecture is proposed to asymptotically stabilize a linear plant in the presence of sporadic sensing and actuation.

Mots-Clés / Keywords
Estimation; Inégalités matricielles linéaires (LMI); Stabilité; Système hybride; Systèmes non linéaires; Théorie du contrôle; Linear matrix inequalities (LMI); Stability; Hybrid systems; Non linear systems; Control theory;

135852
15347
24/09/2015

Exact algorithms for determinantal varieties and semidefinite programming

S.NALDI

MAC

Doctorat : INSA de Toulouse, 24 Septembre 2015, 175p., Président: B.SALVY, Rapporteurs: S.GAUBERT, J.C.FAUGERE, Examinateurs: B.MOURRAIN, G.OTTAVIANI, M.SAFEY EL DIN, M.SCHWEIGHOFER, Directeurs de thèse: D.HENRION , N° 15347

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01212502

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Abstract

In this thesis we focus on the study of determinantal structures arising in semidefinite programming (SDP), the natural extension of linear programming to the cone of symmetric positive semidefinite matrices. While the approximation of a solution of a semidefinite program can be computed efficiently by interior-point algorithms, neither efficient exact algorithms for SDP are available, nor a complete understanding of its theoretical complexity has been achieved. In order to contribute to this central question in convex optimization, we design an exact algorithm for deciding the feasibility of a linear matrix inequality (LMI) A(x)  0. When the spectrahedron S = {x 2 Rn : A(x)  0} is not empty, the output of this algorithm is an algebraic representation of a finite set meeting S in at least one point x: in this case, the point x minimizes the rank of the pencil on the spectrahedron. The complexity is essentially quadratic in the degree of the output representation, which meets, experimentally, the algebraic degree of semidefinite programs associated to A(x). This is a guarantee of optimality of this approach in the context of exact algorithms for LMI and SDP. Remarkably, the algorithm does not assume the presence of an interior point in the spectrahedron, and it takes advantage of the existence of low rank solutions of the LMI. In order to reach this main goal, we develop a systematic approach to determinantal varieties associated to linear matrices. Indeed, we prove that deciding the feasibility of a LMI can be performed by computing a sample set of real solutions of determinantal polynomial systems. We solve this problem by designing an exact algorithm for computing at least one point in each real connected component of the locus of rank defects of a pencil A(x). This algorithm admits as input generic linear matrices but takes also advantage of additional structures, and its complexity improves the state of the art in computational real algebraic geometry. Finally, the algorithms developed in this thesis are implemented in a new Maple library called Spectra, and results of experiments highlighting the complexity gain are provided.

Mots-Clés / Keywords
Semidefinite programming; Linear matrix inequalities; Exact algorithms; Complexity; Determinantal varieties; Polynomial system solving; Real root finding; Semialgebraic optimization;

135324
15022
06/02/2015

Contribution to the DC-AC conversion in photovoltaic systems: module oriented converters

O.LOPEZ SANTOS

MAC

Doctorat : INSA de Toulouse, 6 Février 2015, 246p., Président: M.FADEL, Rapporteurs: F.GUINJOAN, B.ROBERT, Examinateurs: C.ALONSO, H.VALDERRAMA BLAVI, Directeurs de thèse: G.GARCIA, L.MARTINEZ SALAMERO , N° 15022

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01136592

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Abstract

These last years, a growing interest in power electronic systems has been motivated by the emergence of distributed renewable energy resources and their interconnection with the grid. In this context, the need of low power topologies fed by a few photovoltaic modules avoiding the use of transformers opens the study of special converters and the associated control strategies ensuring stability, reliability and high efficiency. A resulted generic device known in the commercial and scientific literature as “microinverter” or “module integrated converter” performs a plug and play product together with the PV module called an “AC module”. This work is devoted to the study of a transformer-less single-phase double-stage grid-connected microinverter. The proposed topology has a non-isolated high-gain boost type DC-DC converter and a non-isolated buck type DC-AC converter connected in cascade through a DC bus. The DC-DC converter permanently extracts the maximum power of the PV module ensuring at the same time a good performance coping with power changes introduced by the change in the environmental conditions. The DC-AC stage injects the power extracted by the DC-DC stage into the grid ensuring a high level of power quality. The research efforts focus on the involved control functions based on the sliding mode control theory, which leads to a simple implementation with a comprehensive theoretical description validated through simulation and experimental results. After giving the state-of-the-art in the first chapter, the manuscript is divided into four chapters, which are dedicated to the Maximum Power Point Tracking (MPPT), the DC-DC stage and its control, the DC-AC stage and its control and the complete microinverter. A new Extremum Seeking Control (ESC) MPPT algorithm is proposed. The single-switch quadratic boost converter is studied operating as a Loss-Free-Resistor (LFR) obtaining a high DC output voltage level with a safe operation. The full-bridge converter is controlled as a Power Source Inverter (PSI) using a simple sliding-mode based tracking law, regulating the voltage of the DC bus and then ensuring a high power quality level in the grid connection. Finally, the three building blocks are merged to obtain a sliding mode controlled microinverter constituting the main result and contribution of the work.

Résumé

Ces dernières années, un intérêt croissant pour les systèmes électroniques de puissance a été motivé par l'émergence de sources d'énergie distribuées et renouvelables raccordées aux réseaux électriques. Dans ce contexte, la nécessité de topologies de faibles puissances alimentées par quelques modules photovoltaïques, en évitant l'utilisation de transformateurs, a ouvert l'étude de convertisseurs spéciaux et l’étude des stratégies de commande associées afin d’assurer la stabilité, la fiabilité et un rendement élevé du dispositif. Une possible solution est d’utiliser un dispositif générique connu dans la littérature scientifique et commerciale comme « micro-onduleur » ou «convertisseur intégré au module » qui avec le module photovoltaïque définit un produit « plug and play » appelé "module AC". Ce travail est consacré à l'étude d'un micro-onduleur monophasé avec deux étapes sans transformateur raccordée au réseau. La topologie proposée est composé d’un convertisseur DC-DC non isolé élévateur avec un gain quadratique et un onduleur réducteur lié au réseau connectés en cascade. Le convertisseur DC-DC extrait en permanence la puissance maximale du module photovoltaïque malgré les changements dans les conditions environnementales. L'étape DC-AC injecte la puissance extraite par l'étape DC-DC dans le réseau et assure un niveau élevé de qualité de l’énergie. Les efforts de recherche de ce travail sont concentrés sur la mise au point de commandes utilisant comment base, la théorie de contrôle par mode de glissement, qui conduit à une mise en oeuvre simple avec une description théorique complète validée á partir de simulations et expérimentations. Après avoir décrit l'état de l’art dans le premier chapitre, le manuscrit est divisé en quatre chapitres, qui sont dédiés respectivement à l’algorithme de recherche du point de puissance maximale (MPPT), á l’étape de conversion DC-DC, á l'étape de conversion DC-AC et finalement au micro-onduleur complet. Un nouvel algorithme de recherche extrémal du point de puissance maximale est développé (SM-ESC). Pour la étape DC-DC, le convertisseur élévateur quadratique avec seulement un interrupteur contrôlé est étudié utilisant le concept de résistance sans perte par mode de glissement (de l’acronyme anglais : Sliding-Mode Loss-Free-Resistor – SM-LFR) afin d’obtenir un gain de tension élevé avec un fonctionnement sûr et compatible avec l’algorithme MPPT. Pour la étape DC-AC, le convertisseur de pont complet est contrôlé comme un onduleur de source de puissance (de l’acronyme anglais : Power Source Inverter - PSI) en utilisant une commande par mode de glissement qui poursuit une référence sinusoïdale de courant de sortie. Cette commande est complétée par une boucle de régulation de la tension du bus DC qui assure une haute qualité d’énergie injectée dans le réseau. Enfin, les trois étapes constitutives sont fusionnées pour obtenir un micro-onduleur complètement contrôlé par la technique de mode de glissement, ce qui constitue le principal résultat et contribution de cette thèse.

Mots-Clés / Keywords
Control by sliding mode; Photovoltaic generator; Micro-inverter; Grid connected inverter; Maximum power point tracking; Commande par mode de glissement; Générateur photovoltaïque; Micro-ondulateur; Ondulateur raccordé au réseau; Recherche de point de puissance maximal;

134053
15654
23/01/2015

A contribution to analysis and modeling of NO and N2O emissions during nitritation

M.POCQUET

MAC

Doctorat : INSA de Toulouse, Janvier 2015, 165p., Président: P.A.VANROLLEGHEM, Rapporteurs: S.GILLOT, E.VOLCKE, Directeurs de thèse: M.SPERANDIO, I.QUEINNEC , N° 15654

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01291802

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Résumé

L’oxyde nitreux ou N2O est un gaz à effet de serre très puissant avec un pouvoir de réchauffement global 300 fois supérieur à celui du CO2. L’oxyde nitrique ou NO est toxique pour les microorganismes et a un impact négatif sur l’environnement de par sa contribution à l’épuisement de la couche d’ozone. Il a récemment été reporté que, en 2010, le secteur du traitement des eaux usées était responsable de 0.22% des émissions totales de N2O liées à l’activité humaine. Les émissions de ce secteur ont également augmenté de 25% en 20 ans et il est donc primordial de comprendre les mécanismes biologiques responsables de ces émissions dans le but de pouvoir les contrôler permettant ainsi de réduire l’impact environnemental des procédés de traitement des eaux usées. Au niveau des stations d’épuration, le NO et le N2O sont produits pendant l’élimination de l’azote, principalement pendant la nitrification par les bactéries ammonium oxydantes (AOB). Deux voies de production sont à l’origine de ces émissions par les AOB : (1) la voie de l’oxydation incomplète de l’hydroxylamine (notée NN) pendant l’oxydation de l’ammonium en nitrite et (2) la voie de la dénitrification autotrophe (ND) qui correspond à la réduction des nitrites en NO et N2O. L’influence des paramètres opératoires sur ces deux voies de production constitue un sujet de recherche actuel. De plus, plusieurs modèles mathématiques décrivant soit la voie NN, soit la voie ND, ont été proposés et l’analyse de la pertinence de ces deux voies et le développement d’un modèle générique sont des enjeux majeurs. Dans ce contexte, cette thèse se focalise sur l’étude des émissions de NO et N2O pendant la nitrification dans un procédé SBR traitant des effluents fortement chargés en ammonium par nitrification/dénitrification. L’objectif général est d’améliorer la compréhension des mécanismes biologiques à l’origine des émissions de NO et N2O en se basant sur une analyse des données expérimentales et leur confrontation aux modèles mathématiques. Cette confrontation a pour objectif d’évaluer les réactions biologiques mises en jeu dans ces émissions de NO et N2O en lien avec les conditions expérimentales. L’analyse des cycles du SBR a permis de mettre en évidence l’influence des conditions opératoires sur les émissions de NO et N2O par les bactéries AOB. Le facteur d’émission de N2O (N2O-EF), qui correspond à la fraction d’ammonium éliminée qui a été transformée en N2O, apparait être corrélé à la concentration en HNO2. Les cycles du SBR avec les plus grandes concentrations en HNO2 (près de 0,9 μgN.L-1) sont ceux qui ont les N2O-EF les plus élevés (4-11%). A l’inverse, quand la concentration en HNO2 ne dépasse pas 0,5 μgN.L-1, les valeurs de N2O-EF restent relativement faibles et inférieures à 1%. La relation entre la concentration en oxygène dissous (DO) et le N2O-EF montre que les N2OEF les plus faibles ont été obtenus à de hautes DO (entre 2,5 et 6,0 mgO2.L-1). Pour des DO plus faibles entre 1,0 et 2,0 mgO2.L-1 une variation importante du N2O-EF entre 1% et 11% a été observée, les N2O-EF les plus grands correspondant aux cycles avec une accumulation importante en HNO2. En revanche, une faible corrélation a été observée entre le facteur d’émission de NO (NO-EF, calculé de façon similaire au N2O-EF) et la concentration en HNO2, de même qu’avec la DO. Ce facteur NO-EF varie entre 0.004% et 0.078% pour l’ensemble des cycles SBR. Ainsi, le ratio NO-EF/N2O-EF n’est pas constant pour tous les cycles et diminue lorsque la concentration en HNO2 augmente. Les valeurs les plus élevées de ce ratio ont été observées après injection d’hydroxylamine. Cette variation traduit une contribution différente des voies NN et ND en fonction des conditions opératoires avec une augmentation de la voie ND lorsque la concentration en HNO2 augmente. A l’inverse, la contribution de la voie NN est maximale pour les cycles avec les ratios NO-EF/N2O-EF les plus grands. La confrontation de ces résultats expérimentaux aux modèles N2O a montré que les émissions de N2O étaient mieux décrites par les modèles basés sur la voie ND. Ces modèles permettent de décrire la relation entre le N2O-EF et la concentration en HNO2. En revanche, ces modèles décrivent mal les émissions de NO observées. Ces émissions de NO sont mieux décrites par le modèle basé sur la voie NN. Dans le système étudié, ces résultats suggèrent que les émissions de N2O sont principalement associées à la voie de production ND et les émissions de NO à la voie NN. En se basant sur cette analyse, un nouveau modèle a été développé dans cette thèse. Ce modèle prend en compte les deux voies de production et permet de décrire les émissions de NO et N2O obtenues expérimentalement. De plus, ce nouveau modèle arrive à décrire la variation du ratio NO-EF/N2O-EF traduisant la contribution des deux voies de production en lien avec les conditions opératoires.

Abstract

Nitrous oxide (N2O) is a key greenhouse gas (GHG) with a global warming potential 300 times stronger than carbon dioxide. Nitric oxide (NO) is toxic to micro-organisms and has a negative impact on the environment with contribution to ozone layer depletion. N2O emissions from wastewater treatment have been reported to constitute 0.22% of the total anthropogenic N2O emissions in 2010 and have increased for almost 25% in 20 years. It is thus important to understand the biological mechanisms involved in these emissions in order to control and reduce the environmental impacts of wastewater treatment systems. In wastewater treatments plants, both NO and N2O are produced during the nitrogen removal mostly by nitrification performed by ammonium oxidizing bacteria (AOB). Two production pathways are known to be responsible of these emissions by AOB: (1) the NN pathway which corresponds to the NO and N2O production during the oxidation of ammonia to nitrite and (2) the ND pathway which corresponds to the reduction of nitrite to NO and N2O. The influence of operating conditions on both NN and ND pathways is actually not fully elucidated. In addition, several N2O models based on the NN or the ND pathway have been proposed and the development of a generic N2O model is yet to be proposed. In this context, this work aims at investigating NO and N2O emissions during the nitrification performed in Sequencing Batch Reactors (SBR) treating ammonium rich effluents by nitrification/denitrification. The general objective of this thesis is to improve knowledge and understanding of the biological mechanisms involved in NO and N2O production by AOB using mechanistic models coupled to designed experiments. The general strategy has consisted to confront experimental data to N2O models based on a single pathway in order to identify AOB N2O production pathways responsible of NO and N2O emissions in response to environmental conditions. The analysis of SBR cycles has highlighted the effect of operating conditions on NO and N2O emissions during nitrification by AOB. The N2O emission factor (N2O-EF), which represents the fraction of nitrogen converted to N2O during ammonium removal, appears to be correlated to the HNO2 concentration. SBR cycles with the highest HNO2 accumulation around 0.9 μgN.L-1 are those with the highest N2O-EF (from 4 to 11%). At a HNO2 concentration lower than 0.5 μgN.L-1 the N2O-EF remained relatively low and below 1%. The relation between DO and N2O EF indicates that the lowest N2O emission factors were obtained at high DO (from 2.5 to 6.0 mgO2.L-1) whereas a large variation from 1% to 11% was observed at DO between 1 and 2 mgO2.L-1 depending on the nitrite level. In this range, the highest N2O emissions have been observed for cycles with the highest HNO2 concentration. In contrast, no clear tendencies were observed for the variation of NO emission factor (NO-EF, calculated similarly to the N2O-EF) neither with the DO nor the HNO2 concentration. The NO-EF remained between 0.004% and 0.078% for all SBR cycles. The NO-EF/N2O-EF ratio decreased with the increase of the HNO2 whereas the highest value was observed after hydroxylamine injections. From these observations it comes that the decrease of this ratio reflects the increase of the ND pathway contribution on N2O emissions with the increase of HNO2 concentration (exacerbated at a low DO concentration). On the contrary, the contribution of the NN pathway increases for cycles with a high NO/N2O ratio associated to a low HNO2 accumulation. The confrontation of these experimental observations to N2O models based on a single pathway indicates that N2O emissions are better described by models based on the ND pathway. These models are able to predict the relation between the N2O-EF and the HNO2 concentration. On the over hand, these models have difficulties to predict NO emissions observed in the SBR. These emissions are better described by the model based on the NN pathway. This suggests that the N2O emissions are more related to the ND pathway and NO emissions to the NN pathway in the studied system. Based on these observations, a new model is proposed in this work. This model considers both the NN pathway and the ND pathway and is able to describe both NO and N2O emissions. Moreover, this new model can catch the variation of the NO-EF/N2O-EF ratio in relation to environmental conditions, reflecting the contribution of both NN and ND pathways on N2O emissions.

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14611
05/12/2014

Séparation intégrale quadratique et applications en commande robuste

D.PEAUCELLE

MAC

Habilitation à diriger des recherches : 5 Décembre 2014, 161p., Président: P.DANES, Rapporteurs: P.CHEVREL, Y.LE GORREC, G.SCORLETTI , Parrain: D.ARZELIER , N° 14611

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01102186

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Abstract

The presented work tackles the theoretical approach called “integral quadratic separation”. The manuscript discusses the origines of this approach, it describes in details some mathematical properties and illustrates the contributions it allows for some robust analysis issues. During the seminar we shall discuss the extension of integral quadratic separation to descriptor forms and the sequences of LMI relaxations with decreasing conservatism it allows to build. Examples will cover: robust analysis with respect to parametric uncertainties, the time-varying uncertainty case, the time-delay case, as well as the analysis of systems with saturations.

Résumé

L’HDR porte sur une approche théorique intitulée “séparation intégrale quadratique”. C’est l’occasion de revenir sur les origines de cette approche, de décrire dans le détail certains aspects techniques et surtout d’illustrer les contributions qu’elle permet pour certaines questions d’analyse robuste. Lors de la soutenance nous parlerons des résultats de séparation intégrale quadratique pour le cas de modèles descripteurs et des suites de relaxations LMI au pessimisme décroissant que cela permet de construire. Des exemples seront abordés traitant de: stabilité robuste vis à vis d’incertitudes paramétriques, le cas d’incertitudes variant dans le temps, les systèmes à retard, ainsi que les systèmes avec saturations.

Mots-Clés / Keywords
Inégalités matricielles linéaires (LMI); Systèmes incertains; Commande robuste; Représentation linéaires-fractionaires; Séparation intégrale quadratique; LMI; Systèmes descripteurs; LMIs; Systems with uncertainties; Integral quadratic separation; Linear matrix inequalities; Robust control; Descriptor systems; Linear-fractional transform; LFT;

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