Thesis defended on January 26, 2018, 2:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

The thesis work contained in this manuscript is dedicated to the Advanced Driving Assistance Systems, which has become nowadays a strategic research line in many car companies. This kind of systems can be seen as a first generation of assisted or semi-autonomous driving, that will set the way to fully automated vehicles. The first part of this memory focuses on the analysis and control of lateral dynamics control applications - Autosteer by target tracking and the Lane Centering Assistance System (LCA). In this framework, safety plays a key role, bringing into focus the application of different constrained control techniques for linear parameter-varying (LPV) models. Model Predictive Control (MPC) and Interpolation Based Control (IBC) have been the ones privileged in the present work. In addition, it is a critical feature to design robust control systems that ensure a correct behavior under system’s variation of parameters or in the presence of uncertainty. Robust Positive Invariance (RPI) theory tools are considered to design robust LPV control strategies with respect to large vehicle speed variations and curvature of the road changes. The second axis of this thesis is the optimization-based trajectory planning for overtaking and lane change in highways with anti-collision enhancements. To achieve this goal, an exhaustive description of the possible scenarios that may arise is presented, allowing to formulate an optimization problem which maximizes passenger comfort and ensures system constraints’ satisfaction.

Mots-clés :


Composition du jury proposé

M. Antonios TZES   NYU Abu Dhabi   Rapporteur

M. Arben CELA   Université Paris-Est, ESIEE Paris   Rapporteur

M. Saïd MAMMAR   Université d'Evry Val-d'Essonne   Examinateur

M. Eduardo FERNANDEZ CAMACHO   Universidad de Sevilla  Examinateur

M. François FAUVEL   Renault SAS   Examinateur

M. Sorin OLARU   CentraleSupelec   Directeur de these

M. Pedro RODRIGUEZ AYERBE   CentraleSupelec   CoDirecteur de these

M. Renaud DEBORNE   Renault SAS   Invité

M. Guillermo PITA GIL   Renault SAS   Invité

S³ seminar : Non-negative orthogonal greedy algorithms for sparse approximation

Seminar on December 08, 2017, 10:30 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40

Sparse approximation under non-negativity constraints naturally arises in several applications. Many sparse solvers can be directly extended to the non-negative setting. It is not the case of Orthogonal Matching Pursuit (OMP), a well-known sparse solver, which gradually updates the sparse solution support by selecting a new dictionary atom at each iteration. When dealing with non-negative constraints, the orthogonal projection computed at each OMP iteration is replaced by a non-negative least-squares (NNLS) subproblem whose solution is not explicit. Therefore, the usual recursive (fast) implementations of OMP do not apply. A Non-negative version of OMP (NNOMP) was proposed in the recent literature together with several variations. In my talk, I will first recall the principle of greedy algorithms, in particular NNOMP, and then, I will introduce our proposed improvements, based on the use of the active-set algorithm to address the NNLS subproblems. The structure of the active-set algorithm is indeed intrisically greedy. Moreover, the active-set algorithm can be called with a warm start, allowing us to fastly solve the NNLS subproblems. (Joint work with Charles Soussen (L2S), Jérôme Idier (LS2N), and El-Hadi Djermoune (CRAN).)

Localisation de sources distribuées cohérentes - Méthodes paramétriques et approches inverses

Habilitation à Diriger des Recherches (HDR) onDecember 06, 2017, 2:00 PM at

Liste des membres du jury





Jean-Hugh THOMAS

Philippe FOSTER

Séminaire d'Automatique du Plateau de Saclay : Necessary and sufficient condition for exponential synchronization of nonlinear systems

Seminar on November 30, 2017, 11:00 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Vincent Andrieu (CNRS Researcher, LAGEP-CNRS, Université de Lyon 1, France)

Based on recent works on transverse exponential stability, some necessary and sufficient conditions for the existence of a (locally) exponential synchronizer are established. We show that the existence of a structured synchronizer is equivalent to the existence of a stabilizer for the individual linearized systems (on the synchronization manifold) by a linear state feedback. This, in turns, is also equivalent to the existence of a symmetric covariant tensor field which satisfies a kind of Lyapunov inequality. Based on this property, we provide the construction of such synchronizer. We discuss then the possibility to achieve global synchronization.

Bio. Vincent Andrieu graduated in applied mathematics from “INSA de Rouen”, France, in 2001. After working in ONERA (French aerospace research company), he obtained a PhD degree from “Ecole des Mines de Paris” in 2005. In 2006, he had a research appointment at the Control and Power Group, Dept. EEE, Imperial College London. In 2008, he joined the CNRS-LAAS lab in Toulouse, France, as a “CNRS-chargé de recherche”. Since 2010, he has been working in LAGEP-CNRS, Université de Lyon 1, France. In 2014, he joined the functional analysis group from Bergische Universitäte Wuppertal in Germany, for two sabbatical years. His main research interests are in the feedback stabilization of controlled dynamical nonlinear systems and state estimation problems. He is also interested in practical application of these theoretical problems, and especially in the field of aeronautics and chemical engineering.

Séminaire d'Automatique du Plateau de Saclay : Observer design for nonlinear systems

Seminar on November 30, 2017, 10:00 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Pauline Bernard (PhD, PSL Reserch University, Systems and Control Center, MINES ParisTech)

Unlike for linear systems, no systematic method exists for the design of observers for nonlinear systems. However, observer design may be more or less straightforward depending on the coordinates we choose to express the system dynamics. In particular, some specific structures, called normal forms, have been identified for allowing a direct and easier observer construction. It follows that a common way of addressing the problem consists in looking for a reversible change of coordinates transforming the expression of the system dynamics into one of those normal forms, design an observer in those coordinates, and finally deduce an estimate of the system state in the initial coordinates via inversion of the transformation. This talk gives contributions to each of those three steps.
First, we show the interest of a new triangular normal form with continuous (non-Lipschitz) nonlinearities. Indeed, we have noticed that systems which are observable for any input but with an order of differential observability larger than the system dimension, may not be transformable into the standard Lipschitz triangular form, but rather into an "only  continuous" triangular form. In this case, the famous high gain observer no longer is sufficient, and we propose to use  homogeneous observers instead.
Another canonical form of interest is the Hurwitz linear form which admits a trivial observer. The question of transforming a nonlinear system into such a form has only been addressed for autonomous systems with the so-called Lunberger or Kazantzis-Kravaris observers. This design consists in solving a PDE and we show here how it can be extended to time-varying/controlled systems.
As for the inversion of the transformation, this step is far from trivial in practice, in particular when the domain and image spaces have different dimensions. When no explicit expression for a global inverse is available, numerical inversion usually relies on the resolution of a minimization problem with a heavy computational cost. That is why we have developed a method to avoid the explicit inversion of the transformation by bringing the observer dynamics (expressed in the canonical form coordinates) back into the initial system coordinates. This is done by dynamic extension, i.e. by adding some new coordinates to the system and transforming an injective immersion into a surjective diffeomorphism.

Bio. Pauline Bernard graduated from MINES ParisTech in 2014 with a Master degree in Applied Mathematics and Automatic Control. In 2017, she obtained her Ph.D. in Mathematics and Automatic Control at PSL Reserch University, prepared at the Systems and Control Center, MINES ParisTech under the supervision of Laurent Praly and Vincent Andrieu.

Séminaire d’Automatique du plateau de Saclay : Stability analysis of discrete-time infinite-horizon control with discounted cost.

Seminar on November 27, 2017, 3:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Romain Postoyan (CNRS researcher, Centre de Recherche en Automatique de Nancy)

We analyse the stability of general nonlinear discrete-time systems controlled by an optimal sequence of inputs that minimizes an infinite-horizon discounted cost. First, assumptions related to the controllability of the system and its detectability with respect to the stage cost are made. Uniform semiglobal and practical stability of the closed-loop system is then established, where the adjustable parameter is the discount factor. Stronger stability properties are thereupon guaranteed by gradually strengthening the assumptions. Next, we show that the Lyapunov function used to prove stability is continuous under additional conditions, implying that stability has a certain amount of nominal robustness. The presented approach is flexible and we show that robust stability can still be guaranteed when the sequence of inputs applied to the system is no longer optimal but near-optimal. We also analyse stability for cost functions in which the importance of the stage cost increases with time, opposite to discounting. Finally, we exploit stability to derive new relationships between the optimal value functions of the discounted and undiscounted problems, when the latter is well-defined.

This is a joint work with Lucian Busoniu (TU Cluj, Romania), D. Nesic (University of Melbourne, Australia) and J. Daafouz (CRAN, Université de Lorraine).

Bio. Romain Postoyan received the master degree (``diplôme d'ingénieur'') in Electrical and Control Engineering from ENSEEIHT (France) in 2005. He obtained the M.Sc. by Research in Control Theory & Application from Coventry University (United Kingdom) in 2006 and the Ph.D. in Control Theory from Université Paris-Sud (France) in 2009. In 2010, he was a research assistant at the University of Melbourne (Australia). Since 2011, he is a CNRS researcher at the Centre de Recherche en Automatique de Nancy (France). He serves as an Associate Editor at the Conference Editorial Board of the IEEE Control Systems Society and for the journals: Automatica, IEEE Control Systems Letters, and IMA Journal of Mathematical Control and Information.

Analyse de stabilité des systèmes à des coefficients qui dépendent du retard.

Chi Jin
Thesis defended on November 21, 2017, 4:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Ampère

Des systèmes  avec des coefficients dépendant du retard  ont  été rencontrés dans diverses  applications de la science et de l'ingénierie. Malgré la littérature abondante  sur les systèmes  de temporisation, il y a peu  de résultats concernant l'analyse  de stabilité des systèmes  avec  des coefficients dépendant du retard. Cette  thèse  est  consacrée  à l'analyse de stabilité de cette  classe de systèmes.  Les méthodes d'analyse  de la stabilité sont développées  à partir de l'équation caractéristique correspondante suivant une approche  généralisée  $ tau  $ -décomposition. Étant  donné un intervalle d'intérêt de retard, nous sommes  capables  d'identifier toutes  les valeurs  de retard critique  contenues  dans  cet intervalle pour lesquelles   l'équation  caractéristique admet   des  racines  sur  l'axe  imaginaire du  plan  complexe.   Le critère   de  direction  de  croisement  des   racines  sont   proposées   pour   déterminer  si  ces  racines caractéristique se déplacent vers  le plan  complexe  demi-gauche ou demi-droite lorsque  le paramètre de retard passe par ces valeurs de retard  critique. Le nombre de racines caractéristiques instables  pour un retard donné peut  ainsi être  déterminé. Notre  analyse  comprend les systèmes  avec un seul retard ou  des  retards proportionnés sous  certaines   hypothèses.  Le critère de  direction de  croisement  des racines  développés  dans cette  thèse  peut  être  appliqués  aux multiple racines  caractéristiques, ou aux racines  caractéristiques dont  la position paramétrée par  le retard est  tangent  à l'axe  imaginaire. En tant  qu'application, il est  démontré que  les  systèmes   avec  des  coefficients dépendant  du  retard peuvent provenir de schémas  de contrôle  qui utilisent une sortie  retardée pour approcher ses dérivés pour  la stabilisation. Les méthodes d'analyse  de stabilité développées  dans cette  thèse  sont adaptées et appliquées  pour trouver les intervalles de retard qui atteignent un taux  de convergence demandé du système  en boucle fermée.

Mots clés : Systèmes à retard, Coefficients à retardement, Analyse de stabilité, Conception de contrôle, Approche géométrique, Analyse paramétrique.

Composition du jury

M. Islam BOUSSAADA PSA & Laboratoire des Signaux et Systèmes  (L2S) Université Paris Saclay CentraleSupélec-CNRS-Université Paris Sud  Directeur de thèse

M. Rifat SIPAHI  Mechanical and Industrial Engineering,Northeastern University  Rapporteur

M. Vladimir RASVAN Universitatea din Craiova Rapporteur

M. Yang KUANG College of Liberal Arts and Sciences, Arizona State University Rapporteur

M Gabor STEPAN Department of Applied Mechanics, Budapest University of Technology   and Economies Examinateur

Mme Catherine  BONNET INRIA Saclay - Ile-de-France and L2S,CentraleSupelec Examinateur

M. Silviu Niculescu L2S-CENTRALESUPELEC, CNRS Co-directeur de thèse

M. Keqin GU Southern Illinois University Edwardsville Co-directeur de thèse

Understanding Cell Dynamics in Cancer from Control and Mathematical Biology Standpoints: Particular Insights into the Modeling and Analysis Aspects in Hematopoietic Systems and Leukemia

Thesis defended on November 21, 2017, 1:30 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40

Medical research is looking for new combined targeted therapies against cancer. Our research project -which involves intensive collaboration with hematologists from Saint-Antoine Hospital in Paris- is imbued within a similar spirit and fits the expectations of a better understanding of the behavior of blood cell dynamics. In fact, hematopoiesis provides a paradigm for studying all the mammalian stem cells, as well as all the mechanisms involved in the cell cycle. We address multiple issues related to the modeling and analysis of the cell cycle, with particular insights into the hematopoietic systems. Stability features of the models are highlighted, since trajectories of the systems reflect the most prominent healthy or unhealthy behaviors of the biological process under study. We indeed perform stability analyses of systems describing healthy and unhealthy situations, with a particular interest in the case of acute myeloblastic leukemia (AML). Thus, we pursue the objectives of understanding the interactions between the various parameters and functions involved in the mechanisms of interest. For that purpose, an advanced stability analysis of the cell fate evolution in treated or untreated leukemia is performed in several modeling frameworks, and our study suggests new anti-leukemic combined chemotherapy. Throughout the thesis, we cover many biological evidences that are currently undergoing intensive biological research, such as: cell plasticity, mutations accumulation, cohabitation between ordinary and mutated cells, control and eradication of cancer cells, cancer dormancy, etc.

Among the contributions of Part I of the thesis, we can mention the extension of both modeling and analysis aspects in order to take into account a proliferating phase in which most of the cells may divide, or die, while few of them may be arrested during their cycle for unlimited time. We also introduce for the first time cell-plasticity features to the class of systems that we are focusing on.

Next, in Part II, stability analyses of some differential-difference cell population models are performed through several time-domain techniques, including tools of Comparative and Positive Systems approaches. Then, a new age-structured model describing the coexistence between cancer and ordinary stem cells is introduced. This model is transformed into a nonlinear time-delay system that describes the dynamics of healthy cells, coupled to a nonlinear differential-difference system governing the dynamics of unhealthy cells. The main features of the coupled system are highlighted and an advanced stability analysis of several coexisting steady states is performed through a Lyapunov-like approach for descriptor-type systems. We pursue an analysis that provides a theoretical treatment framework following different medical orientations, among which: i) the case where therapy aims to eradicate cancer cells while preserving healthy ones, and ii) a less demanding, more realistic, scenario that consists in maintaining healthy and unhealthy cells in a controlled stable dormancy steady-state. Mainly, sufficient conditions for the regional exponential stability, estimate of the decay rate of the solutions, and subsets of the basins of attraction of the steady states of interest are provided. Biological interpretations and therapeutic strategies in light of emerging AML-drugs are discussed according to our findings.

Finally, in Part III, an original formulation of what can be interpreted as a stabilization issue of population cell dynamics through artificial intelligence planning tools is provided. In that framework, an optimal solution is discovered via planning and scheduling algorithms. For unhealthy hematopoiesis, we address the treatment issue through multiple drug infusions. In that case, we determine the best therapeutic strategy that restores normal blood count as in an ordinary hematopoietic system.

Mots-clés :  Analyse de stabilité, PDEs et Systèmes à retards, Théorie de Lyapunov, Modélisation des systèmes biologiques, Analyse des systèmes biologiques, Cancer, Dynamique des populations cellulaires, Hématopoïèse, Leucémie.

Composition du jury proposé
Mme Catherine BONNET     CentraleSupélec     CoDirecteur de thèse
M. Jean CLAIRAUMBAULT     Inria Paris, Sorbonne Paris 6     CoDirecteur de thèse
M. Frédéric MAZENC     Inria Saclay, CNRS, CentraleSupélec     CoDirecteur de thèse
Mme Françoise LAMNABHI-LAGARRIGUE     CNRS, L2S, CentraleSupélec     Examinateur
M. Raphaël  ITZYKSON     Hôpital Saint-Louis Paris     Examinateur
M. Alexander MEDVEDEV     Uppsala University, Sweden     Examinateur
M. Mostafa ADIMY     Inria Grenoble-Rhone Alpes     Rapporteur
M. Pierdomenico  PEPE     University of L'Aquila, Italy     Rapporteur

Séminaire d'Automatique du Plateau de Saclay : Message-passing computation of the harmonic influence in social networks

Seminar on November 21, 2017, 10:00 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Paolo Frasca (CNRS Researcher, NeCS team, GIPSA-lab, Grenoble, France).

The harmonic influence is a measure of node influence in social networks that quantifies the ability of a leader node to alter the average opinion of the network, acting against an adversary field node. The definition of harmonic influence assumes linear interactions between the nodes described by an undirected weighted graph; its computation requires to solve, for every node, a discrete Dirichlet problem associated to a grounded Laplacian. In this talk, I will describe a message-passing distributed algorithm that concurrently computes the harmonic influence of all nodes and provide a convergence analysis for it. The algorithm converges asymptotically, under the only assumption of the interaction Laplacian being symmetric. However, the convergence value does not in general coincide with the harmonic influence: simulations show that when the network has a larger number of cycles, the algorithm becomes slower and less accurate, but nevertheless provides a useful approximation. Simulations also indicate that the symmetry condition is not necessary for convergence and that performance (both in terms of speed and asymptotical error) scales well in the number of nodes of the graph.

Bio. Paolo Frasca received the Ph.D. degree in Mathematics for Engineering Sciences from Politecnico di Torino, Torino, Italy, in 2009. Between 2008 and 2013, he has held research and visiting positions at the University of California, Santa Barbara (USA), at the IAC-CNR (Rome, Italy), at the University of Salerno (Italy), and at the Politecnico di Torino. From 2013 to 2016, he has been an Assistant Professor at the University of Twente in Enschede, the Netherlands. In October 2016 he joined the CNRS as Researcher: he is currently affiliated with GIPSA-lab in Grenoble, France.
His research interests are in the theory of network systems and cyber-physical systems, with applications to robotic, sensor, infrastructural, and social networks. On these topics, Dr. Frasca has (co)authored more than fifty journal and conference papers and has given invited talks at several international institutions and events, including the 2015 SICE International Symposium on Control Systems in Tokyo. He is a recipient of the 2013 SIAG/CST Best SICON Paper Prize. He has been a visiting professor at the LAAS, Toulouse, France in 2016 and at the University of Cagliari, Italy in 2017.
Dr. Frasca has served as Associate Editor of several international conferences, including IEEE CDC, ACC, ECC, MTNS, IFAC NecSys, and is currently serving as Associate Editor for the International Journal of Robust and Nonlinear Control, the Asian Journal of Control, and the IEEE Control Systems Letters.

Systèmes eco-routing adaptatifs de navigation dépendant du temps avec des contraintes

Thesis defended on November 16, 2017, 3:30 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette)

L'éco-routage est une méthode de navigation de véhicule qui choisit les routes tout  en minimisant la consommation de carburant, la consommation d'énergie ou les émissions polluantes pour un voyage vers une destination donnée.  C'est l'une des techniques qui tentent de réduire le coût opérationnel  du véhicule ou l'empreinte environnementale. Ce travail passe en revue  les méthodes actuelles d'éco-routage et propose une nouvelle méthode  conçue pour surmonter leurs lacunes. La plupart des méthodes actuelles attribuent à chaque route du réseau  routier un coût constant qui représente la consommation du véhicule ou  la quantité de polluants émis, puis utilisent un algorithme de routage  optimal pour trouver le chemin qui minimise la somme des coûts. Diverses extensions sont considérées dans la littérature. L'éco-routage  contraint permet d'imposer des limites au temps de déplacement, à la  consommation d'énergie et aux émissions polluantes. L'éco-routage  dépendant du temps permet le routage sur un graphique avec des coûts qui sont des fonctions du temps. L'éco-routage adaptatif permet d'adapter  la solution de routage écologique si elle devient invalide en raison  d'un développement inattendu sur la route. Il existe des méthodes  optimales de routage écologique qui résolvent soit l'éco-routage basé  sur le temps, soit l'éco-routage contraint ou l'éco-routage adaptatif.  Tous comportent des frais généraux de calcul considérablement plus  élevés en ce qui concerne l'éco-routage standard et, selon les  meilleures connaissances de l'auteur, il n'existe pas de méthode publiée qui appuie la combinaison des trois : routage écologique adaptatif  dépendant du temps restreint. Dans ce travail, on argumente que les  coûts de routage utilisé sont très incertains en raison de leur  dépendance à l'égard du trafic immédiat autour du véhicule, du  comportement du conducteur et d'autres perturbations. On soutient en  outre que, étant donné que ces coûts sont incertains, il y a peu  d'avantages à utiliser un routage optimal, car l'optimalité de la  solution ne tient que tant que les coûts de routage sont corrects. Au  lieu de cela, une méthode d'approximation est proposée dans ce travail.  Les frais généraux calculés sont plus faibles sachant que la solution  n'est pas nécessairement optimale. Cela permet l'éco-routage adaptatif  dépendant du temps restreint.

Mots-clés : 

eco-routing,map-matching,systèmes de navigation,


Composition du jury proposé
M. Hugues MOUNIER     Université Paris-Sud     Directeur de these
M. René NATOWICZ     ESIEE Paris     Rapporteur
M. Antonio SCIARRETTA     IFP Energies nouvelles     Examinateur
M. Arben CELA     ESIEE Paris     Examinateur
Mme Brigitte D'ANDRéA-NOVEL     Mines ParisTech     Examinateur
Mme Dorothée NORMAND CYROT     L2S-CentraleSupelec     Examinateur
M. Michel BASSET     Laboratoire MIPS     Rapporteur
M. Philippe MOULIN        IFPEN     Invité
M. Silviu-Iulian NICULESCU        L2S-CentraleSupelec     Invité

Séminaire d'Automatique du Plateau de Saclay : Distributed Abstractions for Multi-Agent Systems Based on Robust Multi-Agent Control

Seminar on November 07, 2017, 10:00 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle des séminaires du L2S
Dimitris Boskos (Postdoctoral researcher, Department of Automatic Control, School of Electrical Engineering, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden)

High level task planning for multi-agent systems constitutes a research area which has gained an emerging attention during the last two decades. While the agents' coordination is in principle based on the design of continuous interaction protocols, the derivation of high level plans requires a discrete representation of their dynamic behavior, also called abstraction, in order to leverage algorithmic tools for the plan synthesis.    

In this talk we discuss the derivation of such abstractions for agents with continuous dynamics, comprising of feedback interconnection terms and additive bounded inputs, which provide the ability for high level planning under the coupled constraints. These dynamics are also motivated by multi-agent coordination protocols which are robust with respect to the additional input part. We will present such a cooperative control framework, which guarantees that network connectivity is robustly maintained with respect to bounded additive inputs. Furthermore, a modification of the feedback design ensures forward invariance of the agents' trajectories inside a convex workspace, without affecting the inputs' robustness bounds.

In order to derive the agents' distributed symbolic models, we determine space-time discretizations which establish that each agent's abstraction has at least one outgoing transition from every discrete state. The symbolic model of each agent is based on the knowledge of its neighbors' discrete positions and the transitions are performed through hybrid control laws, which can drive the agent to its possible successor states. As an extension of these results we also consider a varying degree of decentralization and build each abstract model based on discrete information up to a tunable distance in the communication graph. Finally, we discuss the derivation of online  abstractions, by discretizing over approximations of the agents' reachable sets over a bounded time horizon.

Bio. Dimitris Boskos was born in Athens, Greece in 1981. He has received the Diploma in Mechanical Engineering from the National Technical University of Athens (NTUA), Greece, in 2005, the M.Sc. in Applied Mathematics from the NTUA in 2008 and the Ph.D. in Applied mathematics from the NTUA in 2014. Since August 2014, he is a Postdoctoral Researcher at the Department of Automatic Control, School of Electrical Engineering, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden. His research interests include distributed control of multi-agent systems, formal verification and observer design for nonlinear systems.

Robustesse de la commande prédictive explicite

Thesis defended on October 28, 2017, 1:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Mesny

Composition du jury proposé

M. Pedro RODRIGUEZ-AYERBE    CentraleSupélec   Directeur de these

Mme Alexandra  GRANCHAROVA  University of Chemical Technology and Metallurgy, Bulgaria  Rapporteur

M. Sorin OLARU  CentraleSupélec  CoDirecteur de these

M. Georges  BITSORIS  University of Patras  Rapporteur

M. Mounier HUGUES  CentraleSupélec  Examinateur

M. Carlos Eduardo Trabuco DOREA  Universidade Federal do Rio Grande do Norte  Examinateur

M. Shyam  KAMAL  Indian Institute of Technology, BHU  Examinateur

Mots-clés :


Résumé : 

Les techniques de conception de lois de commande pour les systèmes linéaires ou hybrides avec contraintes conduisent souvent à des partitions de l'espace d'état avec des régions polyédriques convexes. Ceci correspond à des lois de commande par retour d'état affine (PWA) par morceaux associées à une partition polyédrale de l'espace d'état. De telles lois de commande peuvent être effectivement mises en œuvre sur des plateformes matérielles pour des applications de commande en temps réel. Cependant, la robustesse des solutions explicites dépend de la précision du modèle mathématique des systèmes dynamiques. Les incertitudes dans le modèle du système posent de sérieux défis en ce qui concerne la stabilité et la mise en œuvre des lois de commande affines par morceaux. Motivé par les défis auxquels font face les solutions explicites par rapport aux incertitudes dans les modèles des systèmes dynamiques, cette thèse est principalement axée sur leur analyse et à leur retouche. La première partie de cette thèse vise à calculer les marges de robustesse pour une loi de commande PWA nominale donnée obtenue pour un système de temps discret linéaire. Les marges de robustesse classiques, c'est-à-dire la marge de gain et la marge de phase, considèrent la variation de gain et la variation de phase du modèle pour lequel la stabilité de la boucle fermée est préservée. La deuxième partie de la thèse vise à considérer des perturbations dans la représentation des sommets des régions polyédriques. Les partitions de l’espace d'état quantifiées perdent une partie des propriétés importantes des contrôleurs explicites: « non-chevauchement », « convexité » et/ou « invariance ». Deux ensembles différents appelés sensibilité aux sommets et marge de sensibilité sont déterminés pour caractériser les perturbations admissibles, en préservant respectivement la propriété de non-chevauchement et d'invariance du contrôleur. La troisième partie vise à analyser la complexité des solutions explicites en termes de temps de calcul et de mémoire. Une première comparaison entre les évaluations séquentielles et parallèles des fonctions PWA par l'algorithme ADMM (Alternating Direction Method of Multiplier) est faite. Ensuite, la complexité computationnelle des évaluations parallèles des fonctions PWA pour l'algorithme de couverture progressive (PHA) sur l'unité centrale de traitement (CPU) et l'unité de traitement graphique (GPU) est comparée.

Séminaire d'Automatique du Plateau de Saclay : Optimal control problems with oscillations, concentrations, and discontinuities.

Seminar on October 19, 2017, 11:00 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Didier Henrion (CNRS Senior Researcher, LAAS-CNRS & Professor, Faculty of Electrical Engineering, Czech Technical University)

Optimal control problems with oscillation (chattering controls) and concentration (impulsive controls) can have integral performance criteria such that concentration of the control signal occurs at a discontinuity of the state signal. Techniques from functional analysis (extensions of DiPerna-Majda measures from the partial differential equations literature) are developed to give a precise meaning of the integral cost and to allow for the sound application of numerical methods. We show how this can be achieved for the Lasserre hierarchy of semidefinite programming relaxations. This includes in particular the use of compactification techniques allowing for unbounded time, state and control.

Bio. Didier Henrion is a CNRS Senior Researcher at LAAS, an engineering laboratory in Toulouse, France. He is also a Professor at the Faculty of Electrical Engineering at the Czech Technical University in Prague, Czechia. Since 1994 he has been developing constructive tools for addressing mathematical problems arising from systems control and optimization.

Séminaire d'Automatique du plateau de Saclay : Stabilization of nonlinear infinite-dimensional systems subject to saturations

Seminar on October 19, 2017, 10:00 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Swann Marx (Postdoctoral researcher, LAAS-CNRS)

This presentation provides contributions in stabilization methods for nonlinear dynamical systems. In particular, it focuses on the analysis of infinite-dimensional systems subject to saturated inputs.

In the first part, we will introduce a more general class of saturations than the one known for finite-dimensional systems. When bounding a linear stabilizing feedback law with such nonlinearity, a well-posedness result together with an attractivity result will be stated for systems whose open-loop is described by (possibly nonlinear) operators generating strongly continuous semigroup of contractions. The attractivity result will be proved by using the LaSalle's Invariance Principle together with some precompactness properties. 

In the second part, a particular nonlinear partial differential equation is studied, namely the Korteweg-de Vries equation, that models long waves in water of relatively shallow depth. A control actuating on a small part of the channel will be considered. This control will be modified with two different types of saturations. The attractivity result will be proved by using Lyapunov argument and a contradiction argument. Finally, the results will be illustrated with some numerical simulations.

Bio. Swann Marx graduated in 2014 from "Ecole Supérieure de Cachan", France. He got his Ph.D. in the Departement of Automatic at the GIPSA-lab, in Grenoble, France. He is currently a postdoctoral researcher at the LAAS-CNRS, in Toulouse, France. His main research interests are stabilization of partial differential equations with constrained inputs, output feedback stabilization and optimal control of nonlinear partial differential equations.

Inertia in inverter-dominated power networks.

Seminar on October 13, 2017, 3:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Pooya MONSHIZADEH (PhD student at University of Groningen, The Netherlands)

Along with the emergence of the renewable energy sources in power networks, and consequently the increasing usage of power converters, new issues and concerns regarding stability of the grid have arisen. Recently, the problem of low inertia of inverter dominated systems has been extensively investigated. In this talk, I address the problem of stability and frequency regulation of a recently proposed inverter. In this type of inverter, the DC-side capacitor emulates the inertia of a synchronous generator. First, I discuss remodeling the dynamics from the electrical power perspective. Using this model, it can be shown that the system is stable if connected to a constant power load, and the frequency can be regulated by a suitable choice of the controller. I elaborate the analysis of the stability of a network of inverters with capacitive inertia, and show that frequency regulation can be achieved by using an
appropriate controller design.

Modélisation du contrôle moteur humain lors de tâches rythmiques hybrides et application à la commande de robots anthropomorphes

Guillaume AVRIN
Thesis defended on October 04, 2017, 2:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40

Composition du jury proposé


Mme Isabelle SIEGLER                 Université Paris-sud Directeur de these

M. Hénaff PATRICK                     Mines Nancy Rapporteur

M. Julien LAGARDE                      University Montpellier Rapporteur

M. Antoine CHAILLET                          CentraleSupélec Examinateur

M. Antoine MORICE                            Université Aix-Marseille Examinateur

M. Pedro RODRIGUEZ-AYERBE        CentraleSupélec CoDirecteur de these

Mme Maria MAKAROV                        CentraleSupélec CoDirecteur de these

M. Raoul HUYS                                    Université Paul Sabatier (Toulouse 3) Examinateur


Mots-clés :

contrôle moteur humain,systèmes dynamiques,oscillateurs neuronaux,couplages

information-mouvement,coordination visuo-manuelle rythmique


La recherche portant sur l'identification des principes neurobiologiques qui sous-tendent le contrôle moteur humain est actuellement très active. Les mouvements humains ont en effet un niveau de robustesse et de dextérité encore inégalé dans la réalisation robotique de tâches complexes.

L'objectif est donc de mieux comprendre l'origine de cette performance et de la reproduire en robotique bio-inspirée. Il a déjà été démontré que des réseaux spinaux rythmiques sont présents dans la moelle épinière des vertébrés. Ils constituent des systèmes dynamiques non-linéaires composés de neurones en inhibition réciproque et seraient à l’origine de la génération des mouvements rythmiques comme la locomotion et la respiration. Les attracteurs de ces systèmes dynamiques seraient modulés de manière continue ou intermittente par des signaux sensoriels et des signaux descendant du cortex moteur, de manière à adapter le comportement de l’agent à la dynamique de l’environnement. La présente étude émet l'hypothèse que des informations visuelles sont également couplées aux réseaux spinaux rythmiques et que ces couplages sont responsables des synchronisations temporelles et spatiales observées lors de la réalisation de tâches visuomotrices rythmiques. Cette proposition est confrontée à des résultats expérimentaux de frappe  cyclique de balle, un benchmark bien connu des neuroscientifiques et des dynamiciens en raison de ses propriétés dynamiques intrinsèques. Il rend possible à la fois l’étude de la génération de mouvements rythmiques par des réseaux spinaux, la synchronisation temporelle avec  l’environnement, la correction en-ligne des erreurs spatiales et l’interception de projectiles  balistiques. Cette thèse propose ainsi un modèle comportemental mathématique innovant reposant sur un modèle d’oscillateur neuronal dont l’attracteur, qui définit les trajectoires de la raquette, est modulé en ligne par les perceptions visuelles de la trajectoire de la balle. La pertinence du modèle  est validée par comparaison aux données expérimentales et aux modèles précédemment proposés dans la littérature. La robustesse de cette stratégie de contrôle est également quantifiée par une analyse de stabilité asymptotique du système hybride défini par le couplage entre le système neuromusculo- squelettique et la balle. Le correcteur bio-inspiré proposé dans cette thèse réunit de manière harmonieuse un contrôle prospectif de la synchronisation balle-raquette, un contrôle paramétrique intermittent dimensionnant le mouvement et un contrôle émergeant du cycle-limite du système couplé. Il reproduit efficacement les modulations des actions motrices et les performances des humains durant la tâche de frappe cyclique de balle, y compris en présence de perturbations, et  ce sans avoir recours à une planification du mouvement ou à des représentations internes explicites de l’environnement. Les résultats de cette étude conduisent à l’affirmation réaliste que les mouvements humains sont directement structurés par l’information sensorielle disponible et par des stratégies correctives en-ligne, en accord avec la théorie des dynamiques comportementales. Cette architecture de contrôle pourrait offrir de nombreux avantages aux robots humanoïdes qui en seraient munis, en assurant stabilité et économie d’énergie, par l’intermédiaire de lois de commande de faible complexité et peu gourmandes en ressources computationnelles.

Analyse de stabilité, ordonnancement, et synthèse des systèmes cyber-physiques, Stability verification, scheduling, and synthesis of cyber-physical systems

Mohammad AL KHATIB
Thesis defended on September 29, 2017, 10:30 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle des séminaires du L2S

Composition du jury:

MAURICE HEEMELS        PROFESSEUR                                  UNIVERSITE TECH. EINDHOVEN - PAYS-BAS          Rapporteur
THAO  DANG                    DIRECTRICE DE RECHERCHE       CNRS DELEGATION ALPES                                        CoDirecteur de thèse

Résumé : 

Il s'agit d'une étude menée sur les systèmes cyber-physiques sur trois aspects principaux: la vérification de la stabilité, l'ordonnancement et la synthèse des paramètres. Les systèmes de contrôle embarqués (ECS) agissant dans le cadre de contrats temporels sont la classe considérée de systèmes cyber-physiques dans la thèse. ECS fait référence à des intégrations d'un dispositif informatique avec le système physique. En ce qui concerne les contrats temporels, ils sont des contraintes de temps sur les instants où se produisent certains événements tels que l'échantillonnage, l'actionnement et le calcul. Ces contrats sont utilisés pour modéliser les problèmes qui se posent dans les systèmes de contrôle modernes: incertitudes sur les retards d'actionnement, les périodes d'échantillonnage incertaines et l'interaction de plusieurs systèmes physiques avec des ressources informatiques partagées (CPUs). Maintenant, compte tenu d'un ECS et d'un contrat temporel, nous reformulons le système de manière impulsionnelle et vérifions la stabilité du système, sous toutes les incertitudes bornées et données par le contrat, en utilisant des techniques d'approximation convexe et de nouveaux résultats généralisés pour le problème sur une classe de systèmes modélisés dans le cadre des inclusions différentielles. Deuxièmement, compte tenu d'un ensemble de contrôleurs implémentés sur une plate-forme de calcul commune (CPUs), dont chacun est soumis à un contrat de synchronisation, et à son meilleur et son plus mauvais cas d'exécution dans chaque CPU, nous synthétisons une politique d’ordonnancement dynamique qui garantit que chaque contrat temporel est satisfait et que chacun des CPU partagés est attribué à au plus un contrôleur à tout moment. L'approche est basée sur une reformulation qui nous permet d'écrire le problème d’ordonnancement comme un jeu temporelle avec spécification de sureté. Ensuite, en utilisant l'outil UPPAAL-TIGA, une solution au jeu fournit une politique d’ordonnancement appropriée. En outre, nous fournissons une nouvelle condition nécessaire et suffisante pour l’ordonnancement des tâches de contrôle en fonction d’un jeu temporisé simplifiés. Enfin, nous résolvons un problème de synthèse de paramètres qui consiste à synthétiser une sous-approximation de l'ensemble des contrats de synchronisation qui garantissent en même temps l’ordonnancement et la stabilité des contrôleurs intégrés. La synthèse est basée sur un nouveau paramétrage du contrat temporel pour les rendre monotones, puis sur un échantillonnage à plusieurs reprises de l'espace des paramètres jusqu'à atteindre une précision d'approximation prédéfinie.

Approche bayésienne pour l'optimisation multiobjectif sous contraintes

Paul Feliot
Thesis defended on July 12, 2017, 2:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Janet

Ces travaux de thèse portent sur l'optimisation continue multiobjectif de fonctions à valeurs réelles sous contraintes d'inégalités. En particulier, nous nous intéressons à des problèmes pour lesquels les fonctions objectifs et les contraintes sont évaluées au moyen d'un programme informatique coûteux en temps de calcul, avec par conséquent une limite importante sur le nombre d'appels au programme informatique (quelques centaines d'appels au plus).

Afin de résoudre ce problème, nous proposons dans cette thèse un algorithme d'optimisation baptisé BMOO, pour Bayesian Multi-Objective Optimization. Cet algorithme d'optimisation s'appuie sur une fonction de perte mesurant le volume de l'espace dominé par les observations courantes, ce dernier étant défini au moyen d'une règle de domination étendue permettant de comparer des solutions à la fois selon les valeurs des objectifs et des contraintes. Le critère ainsi défini généralise plusieurs critères classiques d'amélioration espérée issus de la littérature.  Il prend la forme d'une intégrale définie sur l'espace des objectifs et des contraintes pour laquelle aucune forme analytique n'est connue dans le cas général. De plus, il doit être optimisé à chaque itération de l'algorithme. Afin de résoudre ces difficultés, des algorithmes de type Monte-Carlo séquentiel sont proposés.  L'efficacité de BMOO est illustrée à la fois sur des cas tests académiques et sur quatre problèmes d'optimisation tirés d'applications industrielles et donne des résultats très satisfaisants en pratique.

Mots-clés : optimisation bayésienne, processus gaussiens, Monte-Carlo séquentiel, krigeage

Composition du jury

M.  Patrice AKNIN                   DR IRT SystemX          Examinateur
Mme Anne AUGER                 INRIA                            Examinateur
M.  Julien BECT                      CentraleSupélec           Encadrant
M.  Sébastien DA VEIGA        Safran Tech                  Examinateur
M.  David GINSBOURGER     Université de Ben        Rapporteur
M.  Luc PRONZATO                DR CNRS                    Rapporteur
M.  Serge GRATTON              Professeur CERFACS  Examinateur
M.  Emmanuel VAZQUEZ       CentraleSupélec          Directeur de thèse

Stabilisation d'une classe des systèmes non linéaires avec propriétés de passivité

Thesis defended on July 06, 2017, 3:00 PM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle des séminaires du L2S

Dans cette  thèse, nous  abordons le problème de la stabilisation des  systèmes non linéaires. En particulier, nous  nous  concentrons sur  les  modèles où l'énergie joue  un rôle fondamental. Ce  cadre énergétique est adapté  pour   capturer  les   phénomènes de plusieurs  domaines  physiques  tels   que   les   systèmes mécaniques, les systèmes électriques, les systèmes hydrauliques, etc. Le point de départ des contrôleurs proposés sont   les  concepts de  système  passif, des sorties  passives et des fonctions  d'énergie  (ou stockage).  Dans   ce   travail,   nous   étudions  deux   classes  de  systèmes  dynamiques,  à   savoir   les Hamiltoniens à  ports  (PH)  et  les  Euler-Lagrange (EL), qui  conviennent pour  représenter de  nombreux processus physiques. Une première étape vers la construction des  contrôleurs est  de montrer  la passivité des  systèmes PH et la caractérisation  de  leurs sorties passives. Par  la  suite,  nous explorons l'utilisation des  différentes sorties passives dans deux techniques bien connues de contrôle  par passivité (PBC), c'est- à-dire le  contrôle par interconnexion (CbI)  et  l'équilibrage  énergétique  (EB),  et  nous comparons les résultats obtenus dans les  deux  approches. De  plus,  nous  proposons une  nouvelle méthodologie dans laquelle   la  loi  de   commande  est   composée  d'un   terme   proportionnel  (P),  un  terme   intégral   (I)  et, éventuellement, un terme  dérivatif (D) de  la sortie  passive. Dans  cette  stratégie, l'énergie du système en boucle  fermée est  façonnée sans qu'il soit nécessaire de  résoudre des  équations différentielles partielles (PDE).   Nous   analysons  le   scénario  du   régulateur  PID   à   l'aide   des  différentes   sorties   passives précédemment caractérisées.  Enfin, nous  appliquons un  schéma PID-PBC  récemment proposé dans la littérature à un système mécanique complexe, à savoir  un pendule inversé ultra flexible, représenté sous la  forme  d'un  modèle contraint   EL.  La  conception du  contrôleur, la  preuve de  stabilité,  ainsi  que  les simulations et  les  résultats expérimentaux sont  présentés pour  montrer  l'applicabilité  de  cette  technique aux systèmes physiques.

Mots-clés : systèmes Hamiltonien  à ports, énergie, passivité, stabilisation

Jury :

M.   Roméo  ORTEGA-MARTINEZ CNRS Directeur de thèse

M. Gerardo René ESPINOSA PEREZ Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma De México Rapporteur

M. Frédéric MAZENC INRIA Examinateur

Mme Elena PANTELEY CNRS Examinateur

M. Arjan VAN DER SCHAFT Johann Bernoulli Institute of Mathematics and Computer Science of the University of Groningen. Rapporteur

M. Yann LE GORREC FEMTO-ST Examinateur

Commande en formation de véhicules autonomes.

Thesis defended on July 05, 2017, 9:30 AM at CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Mesny

Dans cette thèse, des méthodes dites de Lyapunov sont proposées afin de résoudre des problèmes liés à la coordination distribuée des systèmes multiagent, plus précisément, un groupe de systèmes (agents) non-linéaires formés de robots mobiles non-holonomes est considéré. Pour ce groupe de systèmes, des lois de commande distribuée sont proposées dans le but de résoudre des problèmes de type leader-suiveur en formation et aussi des problèmes de type formation sans-leader par une approche de consensus, sous différentes hypothèses sur le graphe de communication et surtout sur les vitesses du leader. L'originalité de ce travail est dans l'approche proposée pour l'étude de stabilité de la boucle fermée, cette approche consiste à transformer les deux derniers problèmes en des problèmes de stabilisation globale asymptotique d'un ensemble invariant. L’analyse de stabilité est basée sur la construction de fonction de Lyapunov et de fonction de Lyapunov-Karasovskii strictes pour des classes de systèmes non-linéaires variant dans le temps présentant des retards bornés et variant dans le temps.

Mots-clés : Lyapunov functions, Mobile robots, Adaptive systems, Excitation permanente.

Composition du jury proposé :

M. Antonio   LORIA


Directeur de thèse

Mme Elena   PANTELEY


Codirecteur de thèse

M. Frédéric MAZENC



M. Dragan NESIC

University of Melbourne


M. Lorenzo MARCONI

University of Bologna


M. Jamal   DAAFOUZ

Université   de Lorraine