Contrôle robuste dEDPs linéaires hyperboliques par méthodes de
titre de docteur (Chucky Rémi
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HBM2`?vT2`#QHB+ S.1b
hQ +Bi2 i?Bb p2`bBQM,THÈSE DE DOCTORAT
de l"Université de recherche Paris Sciences et LettresPSL Research University
Préparée à MINES ParisTechContrôle robuste d"EDPs linéaires hyperboliques par méthodes
de backsteppingÉcole doctorale n o432SCIENCES ET MÉTIERS DE L"INGÉNIEURSpécialitéMATHÉMATIQUES ET AUTOMATIQUESoutenue parJean AURIOL
le 4 Juillet 2018Dirigée parFlorent DI MEGLIO
Nicolas PETITCOMPOSITION DU JURY :
M. Yann Le Gorrec
FEMTO-ST, Président
M. Alexey Pavlov
Norwegian University of Science
and Technology, RapporteurM. Rafael Vázquez
Universidad de Sevilla, Rapporteur
Mme. Kirsten Morris
University of Waterloo, Examinateur
M. Silviu Iulian Niculescu
L2S, Examinateur
M. Nicolas Petit
MINES ParisTech, Examinateur
M. Florent Di Meglio
MINES ParisTech, Examinateur
Remerciements
Contents
1 Introduction5
I Control theory 17
2 A primer on boundary controllability and observability for linear first order
hyperbolic systems 193 One-sided boundary stabilization and observability 41
4 Two-sided boundary stabilization and observability 57
(n+m)5 An explicit mapping from LFOH PDEs to neutral systems 93
n+mII Robust stabilization 111
6 Delay-robust stabilization 115
n+m Contents7 Delay-robust stabilization of a hyperbolic PDE-ODE system 1318 Disturbance rejection and Input-to-State Stability (ISS) for a system of two
equations145Conclusions and perspectives 179
Bibliography181
A Late-lumping approximation 193
B Convexity properties of the robustness domain 203Chapter 1
Introduction
Context
Chapter 1. Introduction
n+1 n strong stability + uncoupledProblems addressed and thesis organization
n+m equal n+mChapter 1. Introduction
Contribution 1:
Contribution 2:
Contribution 3:
Publications
minimum-time control of heterodirectional linear coupled hyperbolic PDEs Two sided boundary stabilization of heterodirectional linear coupled hyperbolic PDEsDelay-robust control design for
two heterodirectional linear coupled hyperbolic PDEsDelay-
robust stabilization of a hyperbolic PDE-ODE systemLate-lumping backstepping control of partial
differential equations An explicit mapping from linear first order hyperbolic PDEs to difference systems A sufficient stability condition for a class of linear 2 x 2 hyperbolic PDEs using a back- stepping transform Two sided boundary stabilization of two linear hyperbolicPDEs in minimum-time
Trajectory tracking for a system of two linear hyperbolic PDEs with uncertaintiesRobust output regulation of
2×2 hyperbolic systems: Control law and Input-to-State Stability
Introduction
Chapter 1. Introduction
n+ 1 n stabilité forte + Problèmes considérés et organisation de la thèse n+mégales
n+mChapter 1. Introduction
Contribution 1:
Contribution 2:
Contribution 3:
Publications
minimum-time control of heterodirectional linear coupled hyperbolic PDEs Two sided boundary stabilization of heterodirectional linear coupled hyperbolic PDEsDelay-robust control design for
two heterodirectional linear coupled hyperbolic PDEsDelay-
robust stabilization of a hyperbolic PDE-ODE systemLate-lumping backstepping control of partial
differential equations An explicit mapping from linear first order hyperbolic PDEs to difference systems A sufficient stability condition for a class of linear 2 x 2 hyperbolic PDEs using a back- stepping transform Two sided boundary stabilization of two linear hyperbolicPDEs in minimum-time
Trajectory tracking for a system of two linear hyperbolic PDEs with uncertaintiesRobust output regulation of
2×2 hyperbolic systems: Control law and Input-to-State Stability
Notations
p?N? X?Rp X ||X||=? ???p i=1(Xi)2. p?N?q?N? Mp,q(R) p×q q IdqId p?N?q?N? K? Mp,q(R) ||K||= max{||Kξ||;ξ?Rp,||x||= 1}. p?N? K? Mp,p (K) K n?N (p1,···,pn)?Rn D=diag{p1,···,pn}Cq([0,1])q?N? {∞} [0,1] q
qth C0([0,1])C([0,1])
L1([0,1],R) L1([0,1])
[0,1]L1 f?L1([0,1])
?f?L1=? 10|f(x)|dx.
L2([0,1],R) [0,1]
L2 f?L2([0,1],R)
||f||L2=?? 10f2(x)dx.
L∞([0,1],R) [0,1]
L∞i.e. f?L∞([0,1],R)
||f||L∞= sup x?[0,1]|f(x)|. Chapter 1. Introduction H1([0,1],R) =W1,2([0,1],R) fL2([0,1],R) f 1 L2
H1 f?H1([0,1],R)
||f||H1=?? 10f2(x)dx+?
10(f?(x))2dx.
Ω?R
1Ω(θ) =?1 ifθ?Ω
0 otherwise.
k1 a < b f [a,b] k1 (x,y)?[a,b]2
s?C ?(s)C+ C+={s?C,?(s)≥0}
ˆf(s) f(t)
(u,v)?(L2([0,1]))2 X?Rp ||(u,v,X)||2=||u||L2+||v||L2+||X||A g(·)
A g(t) =gr(t) +∞? i=0g iδ(t-ti), gr?L1(R+,R)? i≥0|gi|<∞0 =t0< t1< ...δ ?g?A=?gr?L1+? i≥0|gi|.ˆA A
?ˆg?ˆA=?g?AK h:R+→R+h(0) = 0
KL g:R+×R+→R+ t≥0
g(·,t) K s≥0 g(s,·) i,j p Ep i,j? Mp,p(R) ith jthPart I
Control theory
Chapter 2
A primer on boundary
controllability and observability for linear first order hyperbolic systems Chapitre 2: Commandabilité et observabilié frontière pour des systèmes hyper- boliques linéaires du premier ordre. backstepping Contents2.1 System under consideration and well-posedness . . . . . . . . . . . . . .202.2 Stability analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
232.3 Boundary controllability and observability problems . . . . . . . . . . .
272.4 One-sided controllabilty and observability: tutorial case of two equations
312.5 Summary and organization of Part I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38Chapter 2. A primer on boundary controllability and observability for linear first order hyperbolic systems
2.1 System under consideration and well-posedness
tu(t,x) + Λ+∂xu(t,x) = Σ++(x)u(t,x) + Σ+-(x)v(t,x), tv(t,x)-Λ-∂xv(t,x) = Σ-+(x)u(t,x) + Σ--(x)v(t,x), u(t,0) =Q0v(t,0) +U(t), v(t,1) =R1u(t,1) +V(t), u= (u1...un)T, v= (v1...vm)T (t,x) {(t,x)|0< t < T, x?[0,1]} RnRm Λ+Λ- n×nm×m 100λn)
100μm)
-μm<···<-μ1<0< λ1<···< λn.C0([0,1],R) Q0
R1 n×mm×n
UV RnRm
?u 0 v 0? (u1)0(·)...(un)0(·) (v1)0(·)...(vm)0(·)? T, (L2([0,1]))n+m Remark 2.1.1Even if the matricesΛ+andΛ-are assumed to be constant in this thesis, most of the presented results can be extended to the case of spatially varying matrices whose components areC1([0,1],R)-functions.2.1. System under consideration and well-posedness
Definition 2.1.1. T >0 ?
u 0v0? ?(L2([0,1]))n+mU? (L2([0,T]))nV?(L2([0,T]))m (u,v) (u,v)?(C0([0,T];L2([0,1])))n+m 0 = 0? 10(-∂tφT(t,x)-∂xφT(t,x)Λ+-φT(t,x)Σ++(x)-ψT(t,x)Σ-+(x))u(t,x) + (-∂tψT(t,x)
10φT(τ,x)u(τ,x)
-φT(0,x)u(0,x) +ψT(τ,x)v(τ,x)-ψT(0,x)v(0,x)dx-?0φT(t,0)Λ+U(t) +ψT(t,1)Λ-V(t)dt
0(φT(t,1)Λ+-ψT(t,1)Λ-R1)u(t,1) + (ψT(t,0)Λ--φT(t,0)Λ+Q0)v(t,0)dt,
(φ,ψ)? C1([0,τ]×[0,1])n+m φ(·,1) =ψ(·,0) = 0 τ?[0,T] ddt u v? =A?u v? +B?U V? AB AA:D(A)?(L2(0,1))n+m→(L2(0,1))n+m
?u v? ?-→?-Λ+∂xu+ Σ++(x)u+ Σ+-(x)v -∂xv+ Σ-+(x)u+ Σ--(x)v? D(A) ={(u,v)?(L2(0,1))n+m|u(0) =Q0v(0), v(1) =R1u(1)}.A A?
A ?:D(A?)?(L2(0,1))n+m→(L2(0,1))n+m ?u v? ?-→?Λ+∂xu+ (Σ++(x))Tu+ (Σ-+(x))Tv -Λ-∂xv+ (Σ+-(x))Tu+ (Σ++(x))Tv? D(A?) ={(u,v)?(L2(0,1))n+m|u(1) = (Λ+)-1RT1Λ-v(t,1), v(0) = (Λ-)-1QT0Λ+u(t,0)}.A C0(S(t))t≥0
Chapter 2. A primer on boundary controllability and observability for linear first order hyperbolic systemsDefinition 2.1.2.Z A:D(A)? Z → Z
Theorem 2.1.1. [LP61, Corrolary 3.1]A D(A)A ω <0
A? D(A?)
||z||D(A?)= (||z||2L2+||A?z||2L2) z?D(A?)D(A?) ||·||D(A?)||·||H1 B? L(?n+m,D(A?)?)
< B ?U V? ,?z 1 z 2? >=z1(0)TΛ+U+z2(1)TΛ-V,B?? L(D(A?),?n+m) B??z
1 z 2? =?z1(0)TΛ+
z2(1)TΛ-?
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