La notion de système dynamique hybride (SDH) désigne un système dynamique forme par le couplage et l'interaction de systèmes continus et discrets. La richesse de comportements, (actions continues ponctuées de décisions fonctions de l'avancement des taches entreprises), et de description attendus des SDH s'accompagne d'un coût : les outils, méthodes de conception et d'analyse développés pour les systèmes discrets et continus sont caduques ou nécessitent une sérieuse refondation afin d'être adaptes a ce nouveau contexte hybride. Cette thèse aborde le problème de la commande optimale des SDH. Une extension du principe du maximum (PM) de pontryaguine aux SDH par la prise en considération de discontinuités sur l'état ainsi que sur les modèles régissant l'évolution continue du système, est le résultat central de ce travail. L’application de ce principe sur des problèmes de commande optimale en temps montre comment il est possible de faire la synthèse d'une commande optimale voire sous optimale par l'étude d'un problème étendu obtenu en relaxant les contraintes sur le domaine de commande. L’équivalent hybride de la commande optimale par critère quadratique est également dérivé du PM. La résolution d'une suite d'équations différentielles de Riccati, conduit alors à une commande en boucle fermée. Des conditions suffisantes sur la stabilité de ces systèmes complètent ces résultats.

Dans la litterature de l'automatique, deux classes de systemes dynamiques sont distinguees: continus et discrets. L'idee de reunir ces deux classes, qui s'est developpee a la fin des annees 1980, a donnee naissance a l'automatique des systemes dynamiques hybrides. Ce besoin se fit sentir car de nombreux systemes reels connaissent des evolutions a la fois continues et evenementielles. Avec l'interaction et la relation rigide entre les phenomenes continus et discrets, le comportement des systemes hybrides peut sembler extremement complexe et son etude s'avere delicate. Il n'existe pas pour l'instant de theorie globale pour l'etude de ces systemes, mais plutot des approches basees sur l'extension des methodes classiques issues des systemes continus ou discretes. Ce livre s'interesse a la resolution des problemes de commande optimale des systemes dynamiques hybrides a commutations de modeles via la methode du calcul des variations. Deux algorithmes d'optimisation, bases sur methode de descente de gradient, sont presentes et implementes pour la minimisation d'un probleme de poursuite de trajectoire. Une application numerique est presentee afin de comparer les les resultats obtenus.

Un système dynamique est dit hybride (sdh) lorsque des variables discrètes et continues interagissent. Le développement de méthodes spécifiques de représentation, d'analyse et de commande s'impose pour prendre en compte la complexité de ces systèmes. Une classification des sdh est proposée en fonction des types de phénomènes hybrides considérés : commutations de modèle contrôlées ou autonomes, sauts du vecteur d'état contrôles ou autonomes. Des problèmes de commande sont ensuite poses et analyses pour chaque classe présentée. La recherche d'une commande optimale est posée comme un problème de minimisation d'un critère d'écart entre une trajectoire calculée et une trajectoire désirée. Une méthode de descente est appliquée dans chaque cas ; elle fait appel à l'expression du gradient du critère. Ce dernier est calculé à partir de la solution d'un système adjoint. On montre comment calculer ce système adjoint en adaptant aux cas considérés les principes généraux du calcul des variations. C'est ainsi qu'apparaissent des discontinuités sur l'état adjoint, dont on donne les expressions explicites. Ces discontinuités se retrouvent sur la commande calculée. La minimisation du critère est réalisée d'abord sans contraintes puis avec des contraintes de type borne sur la commande et sur sa dérivée, en mettant en œuvre la méthode d'uzawa. Le problème de commande par retour d'état est abordé pour les classes de sdh a commutations de modèle contrôlées et autonomes. Ceci conduit à la résolution d'équations de riccati. Chaque cas étudié est illustre par une mise en œuvre numérique qui permet de juger de l'efficacité de la méthode proposée, en termes de précision et de temps de calcul, et de conclure à la possibilité de commander des sdh par ces méthodes.

La théorie de la commande optimale qui s'adresse à la conduite efficace des systèmes dynamiques a été développée dans la deuxième moitié du XIXe siècle. Les domaines d'utilisation, avec les systèmes automatisés qui font partie de notre vie quotidienne, sont variés : génération et transport d'énergie électrique, systèmes robotisés de production de biens, systèmes de surveillance, de communication, de défense et équipements médicaux... Un manuel efficace pour la résolution de tous les problèmes d'optimisation.

Nous présentons un ensemble de méthodes pour la vérification et la commande de systèmes continus et hybrides, basées sur l'utilisation de trajectoires individuelles. Dans une première partie, nous précisons la classe des systèmes considérés et leurs propriétés. Nous partons de systèmes continus régis par des équations différentielles ordinaires auxquels nous ajoutons des entrées et des événements discrets, constituant ainsi une classe de systèmes dynamiques hybrides. La seconde partie est consacrée la vérification de ces systèmes basée sur le calcul d'atteignabilité. Nous étudions comment un nombre fini dé trajectoires peut couvrir l'ensemble infmi des états atteignables du système. Nous montrons qu'en utilisant une analyse de la sensibilité aux conditions initiales, une sur-approximation de l'ensemble atteignable peut être obtenue. Nous en déduisons un algorithme qui, par une sélection hiérarchique des trajectoires, trouve rapidement un comportement mauvais ou prouve qu'il n'en existe aucun. La troisième partie concerne la commande optimale et se base sur des techniques de programmation dynamique approchée. Un coût est défini pour chaque trajectoire, et la commande minimisant ce coût se déduit d'une fonction valeur définie sur l'espace d'état et que nous représentons en utilisant un approximateur de fonction. Nous utilisons l'exprience fournie par des trajectoires tests pour améliorer cette approximation. Enfin, nous utilisons les résultats de la deuxième partie pour sélectionner ces trajectoires en cohérence avec les propriétés de généralisation locales de l'approximateur de fonction et en restreignant l'exploration de l'espace d'état pour limiter les calculs.

Cette thèse est consacrée au développement d'algorithmes de complexité réduite pour la commande des systèmes hybrides à commutations. Des applications aussi diverses que l'automobile, la mécanique des fluides et les réseaux électriques sont traitées. Des schémas généraux de résolution de problèmes de commande optimale et prédictive sont proposés. Le souci permanent et la principale motivation est dans chaque méthode la réduction de la complexité et la combinatoire souvent associées à ces systèmes. La thèse est structurée en deux parties. La première partie est consacrée à la commande optimale des systèmes à commutations. Un algorithme basé sur le concept des variations fortes est développé et des résultats de convergence démontrés. La complexité du schéma proposé est linéaire dans le nombre de configurations, ce qui le rend attractif pour des applications de grande dimension. Un modèle d'un véhicule automobile est utilisé pour illustrer cette approche. La seconde partie est consacrée au développement d'une approche hiérarchique pour la commande des systèmes à commutations. Au niveau bas, une boucle de commande est associée à chaque configuration et une commande prédictive avec une paramétrisation réduite est utilisée au niveau haut. Sur la b&,>e de cette approche, deux principaux schémas de commandes sont proposés et appliqués respectivement à la stabilisation d'un fluide par commutation entre actionneurs et aux problèmes de stabilisation des tensions dans les réseaux électriques.