Contributions in optimal control and the time crisis problem - applications for irrigation
Contributions en commande optimale et au problème du temps de crise - applications en irrigation
Résumé
This thesis is about optimal control theory and modeling, and it is divided into two parts.
The first part investigates an optimal control problem derived from agronomic modeling, which consists in maximizing the biomass production at harvesting time under a constraint on the water required for irrigation in a context of limited resources. The problem is presented as a state-constrained optimal control problem with a target, subject to a non-autonomous non-smooth (w.r.t. the state) dynamical system. First, we address the state constraint by comparing the trajectories above the highest biomass production threshold. Next, we apply the non-smooth Pontryagin Maximum Principle and show that an optimal solution can have one or several singular arcs located at the points of nondifferentiability of the dynamics. Finally, we propose three different strategies of irrigation and make a numerical comparison between all of them.
The second part deals with the study of the minimal time of crisis problem which amounts to minimize the time spent by a trajectory solution of a general controlled system outside a given set K. The main characteristic of this kind of problem
is the discontinuity of the integrand with respect to the state at the boundary of the set K.We first propose a new regularization method of the minimal time crisis problem using an additional control and a penalty function. We show the convergence of the sequence of optimal solutions of the new regularized problem to an optimal solution of the original problem. We then propose a more general regularization scheme where we apply Pontryagin Maximum Principle to the sequence of the smooth optimal control problems, and we study the boundedness and the convergence of the resulting extremals. Finally, we derive necessary optimality conditions for the minimal time of crisis under a more general hypothesis than the usual one considered in the literature, which requires any optimal solution to hit the boundary of the constraint set transversely.
Cette thèse s’inscrit dans le domaine du contrôle optimal et se divise en deux parties.
La première partie vise l’étude d’un problème de contrôle optimal issu de la modélisation agronomique, qui consiste à maximiser la production de biomasse au moment de la récolte sous une contrainte sur l’eau nécessaire à l’irrigation dans un contexte de ressources limitées. Le problème est présenté comme un problème de contrôle optimal sous contrainte d’état avec une cible, soumis à un système dynamique non-autonome dont le deuxième membre est non-lisse. Tout d’abord, nous examinons la contrainte d’état en comparant les trajectoires au-dessus du seuil à partir duquel la production de biomasse est maximale. Ensuite, nous appliquons le Principe du Maximum non-lisse et nous montrons qu’une solution optimale peut avoir un ou plusieurs arcs singuliers uniquement aux points de non-différentiabilité de la dynamique. Enfin, nous proposons trois stratégies différentes d’irrigation et nous faisons une comparaison numérique entre les trois.
La seconde partie porte sur l’étude du problème de temps de crise, qui consiste à minimiser le temps passé par une trajectoire solution d’un système contrôlé général en dehors d’un ensemble donné K. La caractéristique principale de ce type de problème est la discontinuité de l’intégrande par rapport à l’état au bord de l’ensemble K. Nous proposons d’abord une nouvelle méthode de régularisation du problème en utilisant un contrôle auxiliaire et une fonction de pénalité. Nous montrons la convergence de la suite de solutions optimales du nouveau problème régularisé vers une solution optimale du problème original. Nous proposons ensuite une méthode de régularisation plus générale où nous appliquons le Principe du Maximum de Pontryagin à la suite des problèmes de contrôle optimal régularisé, et nous étudions la bornitude ainsi que la convergence des extrémales. Sous une hypothèse plus générale que celle habituellement requise dans la littérature, qui exige toute solution optimale à traverser l’ensemble des contraintes de manière transversale, nous dérivons des conditions nécessaires d’optimalité pour le problème du temps minimal de crise.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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