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In-Domain Control of Partial Differential Equations

Kaijun Yang

PhD thesis (2019)

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Cite this document: Yang, K. (2019). In-Domain Control of Partial Differential Equations (PhD thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/3859/
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Abstract

RÉSUMÉ Cette thèse porte sur la commande des systèmes à dimension infinie décrit par les équa-tions aux dérivées partielles (EDP). La commande d’EDP peut être divisée approximative-ment en deux catégories en fonction de l’emplacement des actionneurs: la commande à la frontière, où les actionnements sont appliqués à la frontière des systèmes d’EDP, et la com-mande dans le domaine, où les actionneurs pénètrent à l’intérieur du domaine des systèmes d’EDP. Dans cette thèse, nous étudierons la commande dans le domaine de l’équation d’Euler-Bernoulli, de l’équation de Fisher, l’équation de Chafee-Infante et de l’équation de Burgers. L’équation d’Euler-Bernoulli est un modèle classique d’EDP linéaire décrivant la flexion pure des structures flexibles. L’équation de Fisher et l’équation de Chafee-Infante sont des EDP paraboliques semi-linéaires, qui peuvent être utilisées pour modéliser certains phénomènes physiques, chimiques ou biologiques. L’équation de Burgers peut être considérée comme une simplification d’équations de Navier-Stokes en mécanique des fluides, en dynamique des gaz, en fluidité de la circulation, etc. Ces systèmes jouent des rôles très importants en mathéma-tiques, en physique et dans d’autres domaines. Dans cette thèse, de nouvelles méthodes qui se basent sur la dynamique des zéros et le compensateur dynamique ont été développées pour la conception et l’implémentation de lois de commande pour la commande des EDP avec des actionnements dans le domaine. Tout d’abord, nous étudions le contrôle de l’équation d’Euler-Bernoulli avec plusieurs actionneurs internes. L’inverse de la dynamique des zéros a été utilisé dans la conception de la loi de commande, ce qui permet de suivre la trajectoire prescrit souhaitée. Afin de concevoir la trajectoire souhaitée, la fonction de Green est utilisée pour déterminer la commande sta-tique. La planification de mouvement est générée par des contrôleurs dynamiques basés sur la méthode de platitude di˙érentielle. Pour les équations paraboliques non linéaires, la dy-namique des zéros est régie par une EDP non linéaire. Par conséquent, nous avons recours à la méthode de décomposition d’Adomian (ADM) pour générer la commande dynamique afin de suivre les références désirées. Dans le cas de l’équation de Burgers, un compensateur dynamique a été utilisé. Pour obtenir la stabilité globale de l’équation de Burgers contrôlée, une rétroaction non linéaire a été appliquée à la frontière. La méthode d’ADM et la platitude ont été utilisées dans l’implémentation du compensateur dynamique.----------ABSTRACT This thesis addresses in-domain control of partial di˙erential equation (PDE) systems. PDE control can in general be classified into two categories according to the location of the ac-tuators: boundary control, where the actuators are assigned to the boundary of the PDE systems, and in-domain control, where the actuation penetrates inside the domain of the PDE systems. This thesis investigates the in-domain control of some well-known PDEs, including the Euler-Bernoulli equation, the Fisher’s equation, the Chafee-Infante equation, and Burgers’ equation. Euler-Bernoulli equation is a classical linear PDE used to describe the pure bending of flexible structures. Fisher’s equation and the Chafee-Infante equation are semi-linear parabolic PDEs that can be used to model physical, chemical, and biolog-ical phenomena. Burgers’ equation can be viewed as simplified Navier-Stokes equations in lower dimensions in applied mathematics, and it has been widely adopted in fluid mechan-ics, gas dynamics, traÿc flow modeling, etc. These PDE systems play important roles in mathematics, physics, and other fields. In this work, in-domain control of linear and semi-linear parabolic equations are treated based on dynamic compensators. First, we consider the in-domain control of an Euler-Bernoulli equation with multiple internal actuators. The method of zero dynamics inverse is adopted to derive the in-domain control to allow an asymptotic tracking of the prescribed desired outputs. A linear proportional boundary feedback control is employed to stabilize the Euler-Bernoulli equation around its zero dynamics. To design the desired trajectory, the Green’s function is employed to determine the static control, and then motion planning is generated by dynamic control based on di˙erential flatness. For the semi-linear parabolic equations, zero dynamics are governed by nonlinear PDEs. Therefore, the implementation of the in-domain control of linear PDEs cannot be directly applied. We resort then to the Adomian decomposition method (ADM) to implement the dynamic control in order to track the desired set-points. Finally, the in-domain control of a Burgers’ equation is addressed based on dynamic compensator. A nonlinear boundary feedback control is used to achieve the global stability of the controlled Burgers’ equation, and the ADM as well as the flatness are used in the implementation of the proposed in-domain control scheme.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie électrique
Academic/Research Directors: Guchuan Zhu
Date Deposited: 12 Jun 2019 15:34
Last Modified: 12 Jun 2020 01:15
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3859/

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