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Dissertations / Theses on the topic 'Nonlinear optimisation'
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1
Backhouse, Allan R. "Nonlinear optimisation on multicommodity networks." Thesis, Backhouse, Allan R. (1996) Nonlinear optimisation on multicommodity networks. PhD thesis, Murdoch University, 1996. https://researchrepository.murdoch.edu.au/id/eprint/51547/.
Full textAbstract:
The purpose of the work described by this thesis is the exploration and comparison of a selection of methods for the solution of multicommodity network optimisation problems that have a nonlinear objective function, bound constraints, and both linear and nonlinear side constraints (these problems are denoted by MSC-NL).
The motivation for this work was an important class of problems that arise in the petroleum industry. These problems typically have a relatively small number of nonlinear constraints which are, unfortunately, not convex. In many cases, a realistic model of a "real world" problem leads to optimisation problems which, for nonlinear programming problems, are medium to large in size and yet it is desirable for local optima to be able to be determined using easily accessible computing environments. Hence, it is important for methods to be available that are able to exploit the sparsity and structure inherent in the problem, are efficient in computer processing time and memory use, and are reliable and numerically stable. A variety of methods that potentially meet these requirements have been implemented in an experimental computer code called NLNET.
Three different general nonlinear programming methods are considered: projected Lagrangian, penalty multiplier, and generalised reduced gradient. For each of these methods, the implementation in NLNET uses the same multicommodity network solver. This solver is an implementation of the active set feasible direction method that is specialised for multicommodity network optimisation problems with a nonlinear objective function and linear side constraints. Within this solver a number of different approaches, for details such as partitioning of the constraint matrix and determining a search direction, have been implemented. It is very common to encounter degenerate bases when using NLNET to solve problems of type MSC-NL and hence cycling is of concern. Consequently, methods are considered that either avoid generating an infeasible search direction or determine a feasible direction if an infeasible direction has been obtained. The multicommodity network solver is, in turn, based on a well known specialisation of the revised simplex algorithm to linear multicommodity network problems that has been extended to be able to handle side constraints.
A major thrust of this work is the comparison of different combinations of a number of selected methods and approaches, some of which have been mentioned above, that can be used to solve MSC-NL. This comparison is made by presenting and analysing the results obtained by using NLNET on a test problem set consisting of thirteen "real world" petroleum industry problems.
2
Njabeleke, Ignatius Andem. "Mathematical modelling of nonlinear dynamic systems." Thesis, University of Westminster, 1995. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.319624.
Full text
3
Chenery, Samara Davide. "Process controllability analysis using linear and nonlinear optimisation." Thesis, Imperial College London, 1998. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.286291.
Full text
4
Liao, Weiheng. "Constraints and optimisation in linear and nonlinear control." Thesis, University of Oxford, 2007. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.442601.
Full text
5
Johnson, Holly. "Nonlinear dynamics of wake vortices." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLX101/document.
Full textAbstract:
Les tourbillons de sillage d’avion sont sources de problèmes économiques, environnementaux et de sécurité, et par conséquent ont fait l’objet de très nombreuses recherches depuis plusieurs dizaines d’années. Le sillage est composé d’une paire de tourbillons contrarotatifs qui perdurent longtemps après le passage de l’avion. Dans cette thèse la dynamique non linéaire de ces tourbillons desillage est examinée par Simulation Numérique Directe. L’objectif est d’étudier les comportements non linéaires des tourbillons de sillage et d’évaluer le potentiel de destruction anticipée des tourbillons par la perturbation optimale. Dans un premier temps, le potentiel destructeur de la perturbation optimale linéaire est estimé en l’appliquant aux tourbillons avec une amplitude initiale croissante et en observant la réponse non linéaire de l’écoulement. Une amplitude raisonnable suffit pour que la perturbation optimale linéaire réduise de moitié la durée de vie des tourbillons en accélérant une perte de cohérence des structures après l’étape de reconnexion. Par la suite, l’outil d’optimisation non linéaire développé au cours de la thèse est validé par la reproduction de résultats existants concernant un écoulement simple: un toubillon 2D isolé. De nouveaux résultats d’optimisation non linéaire sont obtenus et analysés. En particulier, la perturbation optimale non linéaire 2D d’un tourbillon isolé peut générer une croissance transitoire bien plus élevée que la perturbation optimale linéaire. Dans certains cas la perturbation optimale non linéaire provoque une transition vers un état non axisymétrique quasi-stationnaire,contournant ainsi le processus naturel d’axisymétrisation. De plus, l’effet de la distribution de vorticité dans le coeur du tourbillon sur les perturbations optimales est étudié. Les tourbillons ayant un profil plus raide que les tourbillons Gaussiens subissent une croissance transitoire linéaire plus élevée mais une croissance non linéaire plus faible. Enfin, l’analyse de perturbation optimale non linéaire est étendue aux perturbations 3D. Bien que les perturbations optimales non linéaires 3D produisent moins d’amplification, des transitions vers des états énergétiques et persistants sont observéesAircraft wakes have been the subject of extensive research for several decades as it poses economic, safety and environmental issues. The wake is composed of powerful counter-rotating vortices that persist long after the aircraft has passed. In this thesis, the nonlinear dynamics of aircraft wake vortices is investigated through Direct Numerical Simulation. The aim is to explore the nonlinear effects on wake vortex behaviour and evaluate the potential for the anticipated destruction of the vortices through optimal perturbation. First the disruptive potential of the linear optimal perturbation of the flow is evaluated by applying it with increasing initial amplitude and observing the nonlinear response of the flow. With sufficient yet reasonable initial amplitude the linear optimal perturbation halves the life-span of the vortex pair by accelerating the loss of coherence of the vortices after the linking phase. Next the nonlinear gradient-based optimisation tool that was developed during the thesis is validated by reproducing existing results concerning a simple vortical flow: an isolated two-dimensional vortex. In doing so new nonlinear optimisation results are obtained and analysed. In particular it is shown that the 2D nonlinear optimal perturbation of an isolated vortex can induce considerably greater transient growth than the linear optimal. In some cases the nonlinear optimal causes a transition to a quasisteady asymmetric state, bypassing the natural axisymmetrisation process. The effect of the vortex vorticity profile on the optimal perturbations is also studied. Vortices with sharper profiles experiencefar greater linear perturbation growth, however the nonlinear growth is significantly inferior. Finally the nonlinear optimal perturbation analysis of the isolated vortex is extended to three dimensions. Although the 3D nonlinear optimals produce less growth than their linear counterparts, they can lead to quasi-permanent high energy states
6
Naegele, Philipp Alexander. "An infeasible-path-following algorithm for nonlinear multiobjective optimisation problems." Thesis, University of Birmingham, 2010. http://etheses.bham.ac.uk//id/eprint/813/.
Full textAbstract:
The subject area of multiobjective optimisation deals with the investigation of optimisation problems that possess more than one objective function. Usually, there does not exist a single solution that optimises all functions simultaneously, quite the contrary, in general the set of so-called efficient points, these are solutions to multiobjective optimisation problems, is large. Since it is important for the decision maker to obtain as much information as possible about this set, our research objective is to determine a well-defined and meaningful approximation of the solution set for nonlinear multiobjective optimisation problems. In order to achieve this target we develop an algorithm that employs the optimality conditions introduced by Karush, Kuhn and Tucker for a scalarised objective function and computes solutions to the corresponding system of equations via a modified Newton method. In particular, we utilise an infeasible interior-point technique which determines solutions in the neighbourhood of a central path and therefore, constitutes a path-following approach. We proof the convergence of our algorithm under certain assumptions and develop a warm-start strategy to compute different solutions for varying weighting parameters. Furthermore we examine our numerical implementation in MATLAB and present the results we obtained for several suites of test problems from the literature.
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Karakuzu, Huseyin. "Design and optimisation of micro-structured waveguides in nonlinear crystals." Thesis, Aston University, 2017. http://publications.aston.ac.uk/33631/.
Full textAbstract:
Direct femtosecond laser inscription has emerged as one of the most efficient methods for direct three dimensional micro-fabrication of integrated optical circuits in dielectric crystals. Lithium niobate is one of the most widely used dielectric crystal for a wide range of optical functions. Using the direct femtosecond inscription technology, it is possible to produce almost circular tracks of 1-2:5μm diameters with negative refractive index changes up to -0:012 in lithium niobate crystals. Those tracks can be used as a cladding region to confine the propagating light inside a core region of a micro-structured waveguide. This dissertation is focused on the numerical investigation of the propagation properties of depressed-cladding,buried micro-structured waveguides in z-cut lithium niobate crystals which can be fabricatedby direct fs laser inscription method. First of all, we discuss how experimentally achievable parameters of cladding tracks such as their position, total number, refractive index contrasts between the low index cladding structure and the core region can be used to design buried micro-structured waveguides with good confinement properties and to achieve any control over the propagation properties of different polarisation modes specific to a wide range of applications of lithium niobate. Numerical analysis of micro-structured waveguides are implemented by using finite element method. The high nonlinear coefficient and wide transparency region of lithium niobate enable its use for frequency conversion applications towards mid-infrared wavelength ranges. In this thesis, optimisation of the guiding properties, specifically the confinement losses, of microstructured waveguides in lithium niobate is realised for both around telecom and mid-infrared wavelength regions. Optimisation is based on a practical approach which takes into account the variation of experimentally achieved track parameters over cladding region. It is shown that the spectral region where confinement losses are below 1 dB/cm can be extended up to a wavelength of 3:5μm. In recent years, a variety of design geometries for micro-structured waveguides has been a focus of research interest as a means of manipulating and controlling the properties of propagating light. The flexibility of writing tracks at various depths inside lithium niobatecrystals allows direct fabrication of micro-structured waveguides with advanced design geometries. The ability to write tracks at varying sizes by femtosecond laser inscription method enables the fabrication of micro-structured waveguides with highly complex spiral geometries. Here, we explore design issues of equiangular, Fermat and Archimedes spiral geometries in accordance with experimentally available track parameters. Optimisation of each geometry is separately implemented for telecom and mid-infrared wavelength ranges. The primary advantage of designing waveguides with spiral geometries is a much finer control and better manipulation of propagating light stemming from a higher number of parameters available for design. Also, it is found that the spectral region where confinement losses are below 1dB/cm can be further extended up to a wavelength of 3:66 μm.
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Lynch, Paul Kieran. "The generation of knowledge based systems for interactive nonlinear constrained optimisation." Thesis, Queen's University Belfast, 1997. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.388221.
Full text
9
Nasieva, Irina O. "Analysis and optimisation of the performance of nonlinear optical communication systems." Thesis, Aston University, 2006. http://publications.aston.ac.uk/8242/.
Full textAbstract:
We investigate the feasibility of simultaneous suppressing of the amplification noise and nonlinearity, representing the most fundamental limiting factors in modern optical communication. To accomplish this task we developed a general design optimisation technique, based on concepts of noise and nonlinearity management. We demonstrate the immense efficiency of the novel approach by applying it to a design optimisation of transmission lines with periodic dispersion compensation using Raman and hybrid Raman-EDFA amplification. Moreover, we showed, using nonlinearity management considerations, that the optimal performance in high bit-rate dispersion managed fibre systems with hybrid amplification is achieved for a certain amplifier spacing – which is different from commonly known optimal noise performance corresponding to fully distributed amplification. Required for an accurate estimation of the bit error rate, the complete knowledge of signal statistics is crucial for modern transmission links with strong inherent nonlinearity. Therefore, we implemented the advanced multicanonical Monte Carlo (MMC) method, acknowledged for its efficiency in estimating distribution tails. We have accurately computed acknowledged for its efficiency in estimating distribution tails. We have accurately computed marginal probability density functions for soliton parameters, by numerical modelling of Fokker-Plank equation applying the MMC simulation technique. Moreover, applying a powerful MMC method we have studied the BER penalty caused by deviations from the optimal decision level in systems employing in-line 2R optical regeneration. We have demonstrated that in such systems the analytical linear approximation that makes a better fit in the central part of the regenerator nonlinear transfer function produces more accurate approximation of the BER and BER penalty. We present a statistical analysis of RZ-DPSK optical signal at direct detection receiver with Mach-Zehnder interferometer demodulation
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Boulmier, Simon. "Optimisation globale avec LocalSolver." Thesis, Université Grenoble Alpes, 2020. http://www.theses.fr/2020GRALM037.
Full textAbstract:
LocalSolver est un logiciel de programmation mathématique.Originellement pensé pour traiter les grands problèmes d’optimisation combinatoire rencontrés dans l’industrie, son fonctionnement repose sur des heuristiques de recherche locale.Cette approche de résolution pragmatique, couplée à des structures de modélisation expressives, non linéaires et ensemblistes, lui ont permis de s'imposer dans le catalogue des solveurs commerciaux.L'objet de cette thèse est le développement d'une approche duale, complémentaire à la recherche locale, qui fournira des bornes aux problèmes traités.L'intérêt principal est de qualifier la qualité des solutions retournées, voire de prouver leur optimalité, permettant ainsi d'interrompre plus rapidement la résolution.Ce n'est cependant pas le seul, puisque les techniques nécessaires au calcul de bornes permettent par exemple de prouver l'inconsistance d'un problème.Cette fonctionnalité est utile en phase de développement, où des erreurs de modélisation ou de données sont fréquentes.Trois difficultés principales se présentent alors.D'abord, les problèmes traités sont génériques, et peuvent être combinatoires, non linéaires ou encore non différentiables.Ensuite, l'intégration à un logiciel industriel impose un haut niveau de fiabilité et de qualité logicielle, ainsi que la capacité à passer à l'échelle en temps et en mémoire.Enfin, tous les besoins de reformulation doivent être pris en compte en interne, afin de permettre aux utilisateurs de LocalSolver de modéliser leurs problèmes le plus naturellement possible.Ainsi, le module dual implémenté au sein de LocalSolver commence par transformer le problème d'optimisation fourni en un programme non linéaire en variables mixtes (MINLP).Ce programme est représenté sous une forme standard facilitant l'implémentation de divers outils utiles au calcul de bornes : génération de relaxations convexes, techniques de réduction de bornes ou encore actions de emph{presolve}.Ces outils sont ensuite intégrés dans une recherche arborescente de type emph{branch-and-reduce}, qui interagit avec les autres modules de LocalSolver grâce à des techniques de programmation concurrente.Si l'approche décrite ci-dessus est classique, plusieurs spécificités et choix d'implémentation se différentient de l’état de l’art.En effet, les opérateurs mathématiques supportés et la technique de reformulation utilisée permettent de calculer des bornes sur plus de problèmes que les solveurs d'optimisation globale de référence.Ensuite, ces solveurs exploitent principalement des relaxations linéaires, alors que l'un de nos objectifs est de montrer que des relaxations non linéaires peuvent être compétitives.Dans cette optique, nous avons implémenté un solveur non linéaire sur-mesure, dédié au calcul de bornes inférieures d'un problème convexe, et adapté aux relaxations non linéaires utilisées.Enfin, un résultat de dualité sous contraintes de bornes est obtenu.Celui-ci permet d'améliorer la performance du solveur non linéaire et d'y inclure une méthode robuste de détection de l'inconsistance, mais aussi de garantir la fiabilité des bornes inférieures calculées par LocalSolverLocalSolver is a mathematical programming solver.Originally designed to solve large scale combinatorial optimization problems such as those found in the industry, it mainly relies on local search heuristics.This pragmatic solution approach, coupled with expressive nonlinear and set-based modeling techniques, has allowed LocalSolver to establish itself as a successful commercial solver.The purpose of this thesis is to implement a complementary dual approach for the computation of lower bounds within LocalSolver.The main stake is to qualify the solutions found by the solver and to potentially prove their optimality, thus allowing an early stop of the search.Furthermore, lower bounds have many other applications, such as the detection of inconsistent problems.This is useful in the development phase where modeling errors are frequent.We face three major challenges.First, the problems we address are generic and can be combinatorial, nonlinear or even nonsmooth.Then, the integration to an industrial software requires to produce reliable and high-quality code that can scale in time and memory.Finally, any reformulation need must be managed in-house, to allow LocalSolver's users to model their problems in the easiest way possible.The dual module provided to LocalSolver starts by reformulating the given optimization problem into a mixed-integer nonlinear program (MINLP).This program is stored under a standard form that facilitates the implementation of various techniques aiming at computing lower bounds.Examples of such techniques are the generation of convex relaxations, bound tightening techniques and presolve actions.These building blocks are then integrated into a partitioning scheme called the branch-and-reduce algorithm, and interact with the primal modules thanks to concurrent computing techniques.While this approach remains traditional, several choices and implementation features vary from the state of the art.The operators we support and the reformulation technique we use allow us to compute lower bounds on more problems than most global optimization solvers.These solvers also mainly use linear relaxations, whereas our goal is to show that nonlinear relaxations can be competitive.For this purpose, we implement a nonlinear solver dedicated to the computation of lower bounds to our convex relaxations.At last, we establish a duality result under bound constraints that allow us to improve the performance of our custom nonlinear solver.It is also exploited to certify the validity of the lower bounds computed by LocalSolver and to obtain robust inconsistency certificates
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Djemal, Fathi. "Analyse et optimisation des batteurs dynamiques non linéaires." Thesis, Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2015. http://www.theses.fr/2015ECAP0007/document.
Full textAbstract:
Les vibrations qui sont en général source de dérangement, d’usure et même destruction des machines et structures mécaniques doivent être contrôlées ou éliminées. Pour cette raison, la lutte contre les vibrations est devenue depuis des années un enjeu majeur pour les chercheurs de laboratoire et de développement dans l’industrie afin de développer des solutions efficaces contre ces problèmes. De nombreuses technologies ont donc été développées. Parmi ces technologies, les absorbeurs de vibration non linéaires présentent des performances importantes dans l’atténuation de vibration sur une large bande de fréquences. C’est dans ce contexte que cette thèse se focalise sur l’analyse et l’optimisation des absorbeurs de vibration non linéaires. L’objectif de cette thèse est d’analyser le comportement dynamique non linéaire des systèmes présentant des absorbeurs de vibration non linéaires. Pour cela, un modèle dynamique d’un système à deux degrés de liberté est développé mettant en équations le comportement non linéaire. La résolution des équations de mouvement est faite par la Méthode Asymptotique Numérique (MAN). La performance de cette méthode est montrée via une comparaison avec la méthode de Newton-Raphson. L’analyse des modes non linéaires du système ayant une non-linéarité cubique est faite par une formulation explicite des Fonctions de Réponse en Fréquence non linéaires (FRFs) et les Modes Normaux Non linéaires (MNNs). Un démonstrateur sur la base d’un système simple à deux degré de liberté est mis en place afin de recaler les modèles envisagés sur la base des résultats expérimentaux trouvésVibrations are usually undesired phenomena as they may cause discomfort, disturbance, damage, and sometimes destruction of machines and structures. It must be reduced or controlled or eliminated. For this reason, the vibrations attenuation became a major issue for scientists and researchers in order to develop effective solutions for these problems. Many technologies have been developed. Among these technologies, the nonlinear vibration absorbers have significant performance in the vibration attenuation over a wide frequency band. In this context, this thesis focuses on the analysis and optimization of nonlinear vibration absorbers. The objective of the thesis is to analyze the nonlinear dynamic behavior of systems with nonlinear vibration absorbers. For this, a dynamic model of a two degrees of freedom system is developed. The Asymptotic Numerical Method (ANM) is used to solve the nonlinear equations of motion. The performance of this method is shown via a comparison with the Newton-Raphson method. The nonlinear modal analysis system with cubic nonlinearity is made by an explicit formulation of the nonlinear Frequency Response Functions (FRFs) and Nonlinear Normal Modes (MNNs). An experimental study is performed to validate the numerical results
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Gugenheim, Dan. "Modélisation et optimisation d’un réseau de transport de gaz." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2011. http://oatao.univ-toulouse.fr/11760/1/gugenheim.pdf.
Full textAbstract:
Durant ces 40 dernières années, le gaz naturel a vu son utilisation augmenter jusqu’à constituer aujourd’hui la troisième ressource énergétique mondiale. Il est alors devenu nécessaire de l’acheminer sur des distances de plus en plus longues entre les lieux d’extraction et de consommation. Ce transport peut s’effectuer à l’état liquide par des méthaniers ou à l’état gazeux par le biais des réseaux de transport de gaz naturel composés de canalisations de grandes dimensions, tant en diamètre qu’en longueur. Cette thèse porte sur la modélisation et l’optimisation de la configuration des réseaux de transport de gaz naturel et sur l’application au cas du réseau principal de transport français qui présente plusieurs particularités. En effet, il s’agit d’un réseau de grandes dimensions, fortement maillé pour lequel plusieurs sources d’approvisionnement sont possibles pour desservir divers points de consommation. Il possède en outre, des stations d’interconnexion entre les canalisations. GRTgaz en est le gestionnaire. Ce travail concerne l’étude de la faisabilité de configurer le réseau de transport pour un scénario d’approvisionnement et de consommation. Le coeur de cette thèse porte sur le développement d’un modèle de réseau de transport de gaz et sur la détermination des flux et des configurations des stations d’interconnexion dans ce réseau à l’aide d’outils d’optimisation. L’une des innovations est la description et la modélisation des stations d’interconnexion, carrefours incontournables du réseau. Deux modèles sont ainsi proposés, faisant intervenir une formulation d’une part mixte non linéaire en nombres entiers et d’autre part, non linéaire continue. Leur efficacité en fonction de différents solveurs d’optimisation est ensuite discutée. Le choix de la meilleure formulation du problème de transport de gaz naturel a été étudié sur un ensemble de réseaux fictifs, mais représentatifs du réseau français. La meilleure stratégie, basée sur l’utilisation combinée d’une ormulation non linéaire continue, du choix de la pression comme variable et d’une initialisation par un sous-problème a ensuite été appliquée sur des instances de taille réelle. Les difficultés du passage à des instances réelles ont ensuite été résolues à l’aide de deux améliorations: d’une part, la mise à l’échelle des variables a permis de mieux conditionner le problème, puis d’autre part, une suite de relaxations a été employée afin de résoudre tous les cas réels. Les solutions sont finalement validées à l’aide de solutions métiers existantes.
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Milián, Enrique Carles. "Optimisation of nonlinear photonic devices: design of optical fibre spectra and plasmonic systems." Doctoral thesis, Universitat Politècnica de València, 2012. http://hdl.handle.net/10251/14670.
Full textAbstract:
El propósito de esta tesis es diseñar y optimizar dispositivos fotónicos en el
régimen no lineal. En particular, se han elegido dos tipos de dispositivos, que se
clasifican según los fenómenos físicos de interés. La primera clase corresponde
a fibras convencionales o de cristal fotónico, diseñadas para que la dinámica
temporal de los paquetes de onda que se propagan en su interior genere espectros
con las características deseadas, en el contexto del supercontinuo. La segunda
clase explota la fenomenología espacial asociada a las ondas electromagnéticas
que se propagan sobre la superficie de un metal. Estas ondas permiten, desde
diseñar dispositivos tipo chip fotónico cuyas dimensiones típicas están muy por
debajo de la longitud de onda de la luz, hasta la generación de estados no lineales
híbridos de dinámica singular.
Todos estos efectos tienen lugar dentro del marco proporcionado por las ecuaciones
de Maxwell macroscópicas, las cuales han sido resueltas numéricamente.
En algunos casos se emplean grandes aproximaciones teóricas para estudiar sistemas
1D, mientras que en otros se integran directamente en 3D. En el caso en
el que la optimización del dispositivo resulta no trivial tras haber adquirido un
conocimiento teórico profundo del mismo, se emplea una novedosa herramienta
numérica que nace de la combinación de algoritmos genéticos con plataforma
Grid.Milián Enrique, C. (2012). Optimisation of nonlinear photonic devices: design of optical fibre spectra and plasmonic systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14670
Palancia
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Paul, Jordi [Verfasser], Stefan [Akademischer Betreuer] Turek, and Christian [Gutachter] Meyer. "Nonlinear hyperelasticity-based mesh optimisation / Jordi Paul ; Gutachter: Christian Meyer ; Betreuer: Stefan Turek." Dortmund : Universitätsbibliothek Dortmund, 2016. http://d-nb.info/1129956695/34.
Full text
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Najafian, Hamidreza Amini. "Nonlinear optimisation of reinforcement design for reinforced concrete structures loaded in plane stress." Thesis, Imperial College London, 2011. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.540679.
Full text
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Menon, Prathyush Purushothama. "Optimisation-based worst-case analysis and anti-windup synthesis for uncertain nonlinear systems." Thesis, University of Leicester, 2007. http://hdl.handle.net/2381/30245.
Full textAbstract:
This thesis describes the development and application of optimisation-based methods for worst-case analysis and anti-windup synthesis for uncertain nonlinear systems. The worst-case analysis methods developed in the thesis are applied to the problem of nonlinear flight control law clearance for highly augmented aircraft. Local, global and hybrid optimisation algorithms are employed to evaluate worst-case violations of a nonlinear response clearance criterion, for a highly realistic aircraft simulation model and flight control law. The reliability and computational overheads associated with different opti misation algorithms are compared, and the capability of optimisation-based approaches to clear flight control laws over continuous regions of the flight envelope is demonstrated. An optimisation-based method for computing worst-case pilot inputs is also developed, and compared with current industrial approaches for this problem. The importance of explicitly considering uncertainty in aircraft parameters when computing worst-case pilot demands is clearly demonstrated. Preliminary results on extending the proposed framework to the problems of limit-cycle analysis and robustness analysis in the pres ence of time-varying uncertainties are also included. A new method for the design of anti-windup compensators for nonlinear constrained systems controlled using nonlinear dynamics inversion control schemes is presented and successfully applied to some simple examples. An algorithm based on the use of global optimisation is proposed to design the anti-windup compensator. Some conclusions are drawn from the results of the research presented in the thesis, and directions for future work are identified.
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Kasis, Andreas. "Distributed schemes for stability and optimality in power networks." Thesis, University of Cambridge, 2018. https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/270819.
Full textAbstract:
The generation, transmission and distribution of electricity underpins modern technology and constitutes a necessary element for our development and economic functionality. In the recent years, as a result of environmental concerns and technological advances, private and public investment have been steadily turning towards renewable sources of energy, resulting in a growing penetration of those in the power network. This poses additional challenges in the control of power networks, since renewable generation is in general intermittent, and a large penetration may cause frequent deviations between generation and demand, which can harm power quality and even cause blackouts. Load side participation in the power grid is considered by many a means to counterbalance intermittent generation, due to its ability to provide fast response at urgencies. Industrial loads as well as household appliances, may respond to frequency deviations by adjusting their demand in order to support the network. This is backed by the development of relevant sensing and computation technologies. The increasing numbers of local renewable sources of generation along the introduction of controllable loads dramatically increases the number of active elements in the power network, making traditionally implemented, centralised control dicult and costly. This demonstrates the need for the employment of highly distributed schemes in the control of generation and demand. Such schemes need to ensure the smooth and stable operation of the network. Furthermore, an issue of fairness among controllable loads needs to be considered, such that it is ensured that all loads share the burden to support the network evenly and with minimum disruption. We study the dynamic behaviour of power networks within the primary and secondary frequency control timeframes. Using tools from non-linear control and optimisation, we present methods to design distributed control schemes for generation and demand that guarantee stability and fairness in power allocation. Our analysis provides relaxed stability conditions in comparison with current literature and allows the inclusion of practically relevant classes of generation and demand dynamics that have not been considered within this setting, such as of higher order dynamics. Furthermore, fairness in the power allocation between loads is guaranteed by ensuring that the equilibria of the system are solutions to appropriately constructed optimisation problems. It is evident that a synchronising variable is required for optimality to be achieved and frequency is used as such in primary control schemes whereas for secondary frequency control a dierent synchronising variable is adopted. For the latter case, the requirements of the synchronising feedback scheme have been relaxed with the use of an appropriate observer, showing that stability and optimality guarantees are retained. The problem of secondary frequency regulation where ancillary services are provided from switching loads is also considered. Such loads switch on and off when some prescribed frequency threshold is reached in order to support the power network at urgencies. We show that the presence of switching loads does not compromise the stability of the power network and reduces the frequency overshoot, potentially saving the network from collapsing. Furthermore, we explain that when the on and o switching frequencies are equivalent, then arbitrarily fast switching phenomena might occur, something undesirable in practical implementations. As a solution to this problem, hysteresis schemes where the switch on and off frequencies differ are proposed and stability guarantees are provided within this setting.
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Clark, Andrew J. "Optimisation heuristics for cryptology." Thesis, Queensland University of Technology, 1998. https://eprints.qut.edu.au/15777/1/Andrew_Clark_Thesis.pdf.
Full textAbstract:
The aim of the research presented in this thesis is to investigate the use of various optimisation heuristics in the fields of automated cryptanalysis and automated cryptographic function generation. These techniques were found to provide a successful method of automated cryptanalysis of a variety of the classical ciphers. Also, they were found to enhance existing fast correlation attacks on certain stream ciphers. A previously proposed attack of the knapsack cipher is shown to be flawed due to the absence of a suitable solution evaluation mechanism. Finally, a new approach for finding highly nonlinear Boolean functions is introduced.
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Clark, Andrew J. "Optimisation Heuristics for Cryptology." Queensland University of Technology, 1998. http://eprints.qut.edu.au/15777/.
Full textAbstract:
The aim of the research presented in this thesis is to investigate the use of various optimisation heuristics in the fields of automated cryptanalysis and automated cryptographic function generation. These techniques were found to provide a successful method of automated cryptanalysis of a variety of the classical ciphers. Also, they were found to enhance existing fast correlation attacks on certain stream ciphers. A previously proposed attack of the knapsack cipher is shown to be flawed due to the absence of a suitable solution evaluation mechanism. Finally, a new approach for finding highly nonlinear Boolean functions is introduced.
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Kučerová, Anna. "Identification of nonlinear mechanical model parameters based on softcomputing methods." Cachan, Ecole normale supérieure, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00256025/fr/.
Full textAbstract:
Le problème d'identification des paramètres apparaît dans beaucoup de problèmes en génie civil sous formes différentes et il peut être résolu par beaucoup de méthodes distinctes. Cette thèse présente deux philosophies principales d'identification avec orientation vers les méthodes basées sur intelligence artificielle. Les aspects pratiques sont montrés sur plusieurs problèmes d'identification, où les paramètres des modèles mécaniques non linéaires sont à déterminerThe problem of parameters identification occurs in many engineering tasks and, as such, attains several différent forms and can bc solved by many very distinct methods. An overview of two basic philosophies of thé identification is presented in this thesis with an emphasis put on thé area of sort computing methods. Practical aspects are shown on several identification tasks, where parameters of highly non linear mechanical models are to be determined
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Eaves, Thomas Scott. "Generalised nonlinear stability of stratified shear flows : adjoint-based optimisation, Koopman modes, and reduced models." Thesis, University of Cambridge, 2016. https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/260824.
Full textAbstract:
In this thesis I investigate a number of problems in the nonlinear stability of density stratified plane Couette flow. I begin by describing the history of transient growth phenomena, and in particular the recent application of adjoint based optimisation to find nonlinear optimal perturbations and associated minimal seeds for turbulence, the smallest amplitude perturbations that are able to trigger transition to turbulence. I extend the work of Rabin et al. (2012) in unstratified plane Couette flow to find minimal seeds in both vertically and horizontally sheared stratified plane Couette flow. I find that the coherent states visited by such minimal seed trajectories are significantly altered by the stratification, and so proceed to investigate these states both with generalised Koopman mode analysis and by stratifying the self-sustaining process described by Waleffe (1997). I conclude with an introductory problem I considered that investigates the linear Taylor instability of layered stratified plane Couette flow, and show that the nonlinear evolution of the primary Taylor instability is not coupled to the form of the linearly unstable mode, in contrast to the Kelvin-Helmholtz instability, for example. I also include an appendix in which I describe joint work conducted with Professor Neil Balmforth of UBC during the 2015 WHOI Geophysical Fluid Dynamics summer programme, investigating stochastic homoclinic bifurcations.
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Al, Ismaili Riham. "Optimisation of heat exchanger network maintenance scheduling problems." Thesis, University of Cambridge, 2018. https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/280281.
Full textAbstract:
This thesis focuses on the challenges that arise from the scheduling of heat exchanger network maintenance problems which undergo fouling and run continuously over time. The original contributions of the current research consist of the development of novel optimisation methodologies for the scheduling of cleaning actions in heat exchanger network problems, the application of the novel solution methodology developed to other general maintenance scheduling problems, the development of a stochastic programming formulation using this optimisation technique and its application to these scheduling problems with parametric uncertainty. The work presented in this thesis can be divided into three areas. To efficiently solve this non-convex heat exchanger network maintenance scheduling problem, new optimisation strategies are developed. The resulting contributions are outlined below. In the first area, a novel methodology is developed for the solution of the heat exchanger network maintenance scheduling problems, which is attributed towards a key discovery in which it is observed that these problems exhibit bang-bang behaviour. This indicates that when integrality on the binary decision variables is relaxed, the solution will tend to either the lower or the upper bound specified, obviating the need for integer programming solution techniques. Therefore, these problems are in ac- tuality optimal control problems. To suitably solve these problems, a feasible path sequential mixed integer optimal control approach is proposed. This methodology is coupled with a simple heuristic approach and applied to a range of heat exchanger network case studies from crude oil refinery preheat trains. The demonstrated meth- odology is shown to be robust, reliable and efficient. In the second area of this thesis, the aforementioned novel technique is applied to the scheduling of the regeneration of membranes in reverse osmosis networks which undergo fouling and are located in desalination plants. The results show that the developed solution methodology can be generalised to other maintenance scheduling problems with decaying performance characteristics. In the third and final area of this thesis, a stochastic programming version of the feasible path mixed integer optimal control problem technique is established. This is based upon a multiple scenario approach and is applied to two heat exchanger network case studies of varying size and complexity. Results show that this methodology runs automatically with ease without any failures in convergence. More importantly due to the significant impact on economics, it is vital that uncertainty in data is taken into account in the heat exchanger network maintenance scheduling problem, as well as other general maintenance scheduling problems when there is a level of uncertainty in parameter values.
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Attal, Maher. "Lattice optimization and nonlinear beam dynamical studies on SESAME and SOLEIL storage rings." Paris 11, 2009. http://www.theses.fr/2009PA112095.
Full textAbstract:
Les méthodes employées pour optimiser les sources de rayonnement synchroton sont discutées et utilisées pour le design de la future maille de l’anneau de stockage de SESAME. La stratégie adoptée pour l’optimisation linéaire et non-linéaire a conduit à l’obtention de grandes ouvertures dynamiques, ce qui garantira théoriquement une bonne efficacité d’injection et une bonne duré de vie. Il a été aussi montré dans cette thèse l’importance et la nécessité d’inclure les dimensions de la chambre à vide dans les calculs de l’ouverture dynamique lors de l’optimisation non-linéaire de la maille de SESAME. En effet, des résonances destructives n’ont pu être mises en évidence lors du calcul de l’ouverture dynamique sans chambre à vide. Cette étude a été corroborée en utilisant de façon exhaustive l’analyse en fréquence (FMA). Une nouvelle méthode a été adoptée pour la réduction du premier ordre du momentum compaction factor (α1) tout en gardant une émittance faible. Cette technique a été appliquée théoriquement et expérimentalement avec succès sur l’anneau de stockage de SOLEIL. Le but étant d’obtenir des parquets très courts. Le rayonnement cohérent (CSR) provenant de la ligne IR, AILES, de SOLEIL a pu être observé pas loin du domaine du THz. Pendant l’une de ces expériences, trois faisceaux distincts ont pu être stockés de façon simultanée. C’est pour la première fois qu’une observation de ce type a pu être faite. Une analyse utilisant un développement théorique jusqu’au troisième ordre du momentum compaction factor a permis d’expliquer les conditions d’apparition de ces trois faisceaux. La dernière partie de cette thèse concerne l’installation, les tests de réhabilitation de l’ancien Microtron de BESSY 1 comme pré-injecteur pour la machine de SESAMESome aspects in designing a lattice for synchrotron light sources have been discussed and used to design the future lattice for SESAME storage ring. The adopted strategy for the linear and nonlinear optimization resulted in large dynamic apertures which guarantees good injection efficiency and beam lifetime. It has been shown that including the vacuum chamber in the dynamic aperture calculations was a necessary tool in the nonlinear optimization of SESAME lattice since it was possible to see inner destructive nonlinearities wich couldn’t be seen in case of absolute dynamic aperture calculations. This idea has been supported by the Frequency Map Analysis (FMA) method. A new method has been adopted to reduce the first order momentum compaction factor (α1) keeping a low emittance. This technique has been applied to SOLEIL machine to have extremely short bunches theoretically and experimentally. The Coherent Synchrotron Radiation (CSR) from the infrared beam line AILES could be observed in the Tera Hertz region. During one of these experiments three beams have been stored simultaneously in the storage ring. It is, to our knowledge, the first observation of such event. A trial to explain this event is done by deriving analytical formulas to evaluate α1, α2 and α3 experimentally. An experience is shown in rehabilitating the old BESSY I Microtron in order to be used as a pre-injector for SESALME machine
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Fichera, Francesco. "Techniques Lyapunov pour une classe de systèmes hybrides et synthèses de contrôleurs à réinitialisation." Thesis, Toulouse, ISAE, 2013. http://www.theses.fr/2013ESAE0029/document.
Full textAbstract:
Ce manuscrit présente des résultats de recherche concernant une certaine classe de systèmes hybrides. Les systèmes hybrides peuvent être utilises pour la modélisation de systèmes physiques complexes et hétérogènes dont l’évolution dans le temps présente des phénomènes discrets, tels que les commutations des convertisseurs ou les impacts des systèmes mécaniques. De la même manière, la théorie hybride peut être utilisée pour concevoir des contrôleurs hybrides, en général plus performants par rapport aux contrôleurs a temps continu.Dans ce cadre, les résultats de ce manuscrit peuvent être divises en trois parties. D'abord des résultats de stabilité par rapport à un indice de performance de type Hinfini sont présentes pour une classe plutôt large de systèmes hybrides. Ensuite, nous introduisons de nouvelles architectures de contrôleurs hybrides pour les systèmes à temps continu caractérisées par le fait que leur état peut être réinitialisé en fonction de la trajectoire. Enfin, nous présentons une technique de synthèse convexe pour la conception d'un contrôleur hybride multi-objectif. La comparaison avec les résultats classique met en évidence les avantages en termes de performance par rapport aux contrôleurs a temps continu classiques, tout en préservant la propriété de robustesse et la simplicité de conception.Bien que la théorie hybride soit en plein développement, ces travaux généralisent certains résultats existants, en améliorant la simplicité d’implémentation des solutions grâce à l'utilisation de la programmation semi-definie. En plus les architectures de contrôleurs hybrides présentées ont l'avantage de simplifier la généralisation de quelques résultats classiques concernant la synthèse optimale par rapport à des indices de performance communsThis dissertation presents some results on hybrid systems. Hybrid systems can be used to model complex physical and heterogeneous systems whose time evolution experiences discrete phenomena, such as commutations in electronic converters or impacts in mechanical systems. In the meantime the hybrid theory can be used to design hybrid controllers which exhibit better performance than the classical continuous-time controllers.In this context, the results in this dissertation can be divided en three parts. First, some stability results with respect to the Hinfinity performance index are presented for a wide class of hybrid controllers. Second, we introduce new hybrid controller architectures for continuous-time systems, where the state of the hybrid controller can be reinitialized depending on the trajectory of the system. Finally, we present a convex synthesis of a multiobjective hybrid controller. The comparisons with the classical results show the improvements that can be achieved with hybrid controllers, maintaining the property of robustness and simplicity of design.Although the hybrid theory is in full development, this work generalizes some existing results by improving the simplicity of their usage by means of semidefinite programming tools. Moreover some hybrid architectures are able to generalize some classic results regarding the optimal synthesis with respect to popular performance indexes
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Xia, Liang. "Towards optimal design of multiscale nonlinear structures : reduced-order modeling approaches." Thesis, Compiègne, 2015. http://www.theses.fr/2015COMP2230/document.
Full textAbstract:
L'objectif principal est de faire premiers pas vers la conception topologique de structures hétérogènes à comportement non-linéaires. Le deuxième objectif est d’optimiser simultanément la topologie de la structure et du matériau. Il requiert la combinaison des méthodes de conception optimale et des approches de modélisation multi-échelle. En raison des lourdes exigences de calcul, nous avons introduit des techniques de réduction de modèle et de calcul parallèle. Nous avons développé tout d’abord un cadre de conception multi-échelle constitué de l’optimisation topologique et la modélisation multi-échelle. Ce cadre fournit un outil automatique pour des structures dont le modèle de matériau sous-jacent est directement régi par la géométrie de la microstructure réaliste et des lois de comportement microscopiques. Nous avons ensuite étendu le cadre en introduisant des variables supplémentaires à l’échelle microscopique pour effectuer la conception simultanée de la structure et de la microstructure. En ce qui concerne les exigences de calcul et de stockage de données en raison de multiples réalisations de calcul multi-échelle sur les configurations similaires, nous avons introduit: les approches de réduction de modèle. Nous avons développé un substitut d'apprentissage adaptatif pour le cas de l’élasticité non-linéaire. Pour viscoplasticité, nous avons collaboré avec le Professeur Felix Fritzen de l’Université de Stuttgart en utilisant son modèle de réduction avec la programmation parallèle sur GPU. Nous avons également adopté une autre approche basée sur le potentiel de réduction issue de la littérature pour améliorer l’efficacité de la conception simultanéeHigh-performance heterogeneous materials have been increasingly used nowadays for their advantageous overall characteristics resulting in superior structural mechanical performance. The pronounced heterogeneities of materials have significant impact on the structural behavior that one needs to account for both material microscopic heterogeneities and constituent behaviors to achieve reliable structural designs. Meanwhile, the fast progress of material science and the latest development of 3D printing techniques make it possible to generate more innovative, lightweight, and structurally efficient designs through controlling the composition and the microstructure of material at the microscopic scale. In this thesis, we have made first attempts towards topology optimization design of multiscale nonlinear structures, including design of highly heterogeneous structures, material microstructural design, and simultaneous design of structure and materials. We have primarily developed a multiscale design framework, constituted of two key ingredients : multiscale modeling for structural performance simulation and topology optimization forstructural design. With regard to the first ingredient, we employ the first-order computational homogenization method FE2 to bridge structural and material scales. With regard to the second ingredient, we apply the method Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) to perform topology optimization. In contrast to the conventional nonlinear design of homogeneous structures, this design framework provides an automatic design tool for nonlinear highly heterogeneous structures of which the underlying material model is governed directly by the realistic microstructural geometry and the microscopic constitutive laws. Note that the FE2 method is extremely expensive in terms of computing time and storage requirement. The dilemma of heavy computational burden is even more pronounced when it comes to topology optimization : not only is it required to solve the time-consuming multiscale problem once, but for many different realizations of the structural topology. Meanwhile we note that the optimization process requires multiple design loops involving similar or even repeated computations at the microscopic scale. For these reasons, we introduce to the design framework a third ingredient : reduced-order modeling (ROM). We develop an adaptive surrogate model using snapshot Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Diffuse Approximation to substitute the microscopic solutions. The surrogate model is initially built by the first design iteration and updated adaptively in the subsequent design iterations. This surrogate model has shown promising performance in terms of reducing computing cost and modeling accuracy when applied to the design framework for nonlinear elastic cases. As for more severe material nonlinearity, we employ directly an established method potential based Reduced Basis Model Order Reduction (pRBMOR). The key idea of pRBMOR is to approximate the internal variables of the dissipative material by a precomputed reduced basis computed from snapshot POD. To drastically accelerate the computing procedure, pRBMOR has been implemented by parallelization on modern Graphics Processing Units (GPUs). The implementation of pRBMOR with GPU acceleration enables us to realize the design of multiscale elastoviscoplastic structures using the previously developed design framework inrealistic computing time and with affordable memory requirement. We have so far assumed a fixed material microstructure at the microscopic scale. The remaining part of the thesis is dedicated to simultaneous design of both macroscopic structure and microscopic materials. By the previously established multiscale design framework, we have topology variables and volume constraints defined at both scales
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Tran, Ngoc Nguyen. "Infeasibility detection and regularization strategies in nonlinear optimization." Thesis, Limoges, 2018. http://www.theses.fr/2018LIMO0059/document.
Full textAbstract:
Dans cette thèse, nous nous étudions des algorithmes d’optimisation non linéaire. D’une part nous proposons des techniques de détection rapide de la non-réalisabilité d’un problème à résoudre. D’autre part, nous analysons le comportement local des algorithmes pour la résolution de problèmes singuliers. Dans la première partie, nous présentons une modification d’un algorithme de lagrangien augmenté pour l’optimisation avec contraintes d’égalité. La convergence quadratique du nouvel algorithme dans le cas non-réalisable est démontrée théoriquement et numériquement. La seconde partie est dédiée à l’extension du résultat précédent aux problèmes d’optimisation non linéaire généraux avec contraintes d’égalité et d’inégalité. Nous proposons une modification d’un algorithme de pénalisation mixte basé sur un lagrangien augmenté et une barrière logarithmique. Les résultats théoriques de l’analyse de convergence et quelques tests numériques montrent l’avantage du nouvel algorithme dans la détection de la non-réalisabilité. La troisième partie est consacrée à étudier le comportement local d’un algorithme primal-dual de points intérieurs pour l’optimisation sous contraintes de borne. L’analyse locale est effectuée sans l’hypothèse classique des conditions suffisantes d’optimalité de second ordre. Celle-ci est remplacée par une hypothèse plus faible basée sur la notion de borne d’erreur locale. Nous proposons une technique de régularisation de la jacobienne du système d’optimalité à résoudre. Nous démontrons ensuite des propriétés de bornitude de l’inverse de ces matrices régularisées, ce qui nous permet de montrer la convergence superlinéaire de l’algorithme. La dernière partie est consacrée à l’analyse de convergence locale de l’algorithme primal-dual qui est utilisé dans les deux premières parties de la thèse. En pratique, il a été observé que cet algorithme converge rapidement même dans le cas où les contraintes ne vérifient l’hypothèse de qualification de Mangasarian-Fromovitz. Nous démontrons la convergence superlinéaire et quadratique de cet algorithme, sans hypothèse de qualification des contraintesThis thesis is devoted to the study of numerical algorithms for nonlinear optimization. On the one hand, we propose new strategies for the rapid infeasibility detection. On the other hand, we analyze the local behavior of primal-dual algorithms for the solution of singular problems. In the first part, we present a modification of an augmented Lagrangian algorithm for equality constrained optimization. The quadratic convergence of the new algorithm in the infeasible case is theoretically and numerically demonstrated. The second part is dedicated to extending the previous result to the solution of general nonlinear optimization problems with equality and inequality constraints. We propose a modification of a mixed logarithmic barrier-augmented Lagrangian algorithm. The theoretical convergence results and the numerical experiments show the advantage of the new algorithm for the infeasibility detection. In the third part, we study the local behavior of a primal-dual interior point algorithm for bound constrained optimization. The local analysis is done without the standard assumption of the second-order sufficient optimality conditions. These conditions are replaced by a weaker assumption based on a local error bound condition. We propose a regularization technique of the Jacobian matrix of the optimality system. We then demonstrate some boundedness properties of the inverse of these regularized matrices, which allow us to prove the superlinear convergence of our algorithm. The last part is devoted to the local convergence analysis of the primal-dual algorithm used in the first two parts of this thesis. In practice, it has been observed that this algorithm converges rapidly even in the case where the constraints do not satisfy the Mangasarian-Fromovitz constraint qualification. We demonstrate the superlinear and quadratic convergence of this algorithm without any assumption of constraint qualification
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Adasme, Soto Pablo Alberto. "Deterministic uncertain nonlinear formulations for wireless OFDMA networks with applications on semidefinite programming." Paris 11, 2010. http://www.theses.fr/2010PA112323.
Full textAbstract:
Dans cette thèse, on étudie l'utilisation de la programmation semi-définie (SDP), l'optimisation robuste, la programmation stochastique, les relaxations lagrangiennes et des approches polyédriques de traitement de l'incertitude pour résoudre le problème d'allocation de ressources dans les réseaux sans fil OFDMA. Le premier chapitre introduit ce problème d'allocation de ressources. Puis, on fournit dans le chapitre 2 un bref aperçu théorique des concepts et méthodes dont on aura besoin dans la suite de la thèse. Dans le chapitre 3, les principales formulations mathématiques de la littérature liées aux canaux OFDMA à liaison montante sont présentées. Un schéma de M-allocation sur liaison montante est proposé sous l'hypothèse de faisabilité d'une méthode de détection de M signaux entrants sur chaque sous-porteuse. Un algorithme glouton de complexité polynomiale est dérivé de la relaxation lagrangienne de la formulation mathématique. Dans le chapitre 4, on propose deux programmes quadratiques sous contraintes quadratiques (BQCQP) en variables binaires pour la minimisation de l'énergie (contraintes de débit binaire et d'allocation sur les sous-porteuses) et on en déduit ensuite deux relaxations SDP. Dans le chapitre 5, trois approches d'optimisation robuste sont étudiées ; deux relaxations SDP et un programme de second ordre conique sont proposés. Dans le chapitre 6, on formule d'autres modèles quadratiques en utilisant la programmation stochastique et une approche polyédrale. Enfin dans le chapitre 7, on décrit les contributions principales et les conclusions générales de la thèse. En outre, de futures directions de recherche sont décritesLn this thesis, modern optimization techniques such as semidefinite programming (SDP), robust optimization, stochastic programming, lagrangian relaxations and polyhedral based uncertainty approaches are used to deal with the problem of resource allocation in wireless OFDMA networks. The thesis starts in chapter 1 by introducing the resource allocation problem. Ln chapter 2 a brief theoretical background describing the concepts and methods necessary for the development of the thesis are provided. Ln chapter 3, the main mathematical formulations from the literature related to uplink OFDMA channels are presented while an uplink M-Allocation scheme is proposed under the feasibility assumption of a new detection scheme of M incoming signals on each sub-carrier. A polynomial complexity greedy algorithm is derived from the lagrangian relaxation. Ln chapter 4, two binary quadratically constrained quadratic programs (BQCQP) for minimizing power subject to bit rate and sub-carrier allocation constraints for OFDMA are proposed and two SDP relaxations are derived. Ln chapter 5, three robust optimization approaches are studied; two SDP relaxations and a second order conic program are proposed. Ln chapter 6, further BQCQP models are formulated using stochastic programming and a robustness polyhedral approach. Finally in chapter 7, the main contributions as well as general conclusions of the thesis are outlined. Besides, further research directions are pointed
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Chrétien, Benjamin. "Optimisation semi-infinie sur GPU pour le contrôle corps-complet de robots." Thesis, Montpellier, 2016. http://www.theses.fr/2016MONTT315/document.
Full textAbstract:
Un robot humanoïde est un système complexe doté de nombreux degrés de liberté, et dont le comportement est sujet aux équations non linéaires du mouvement. Par conséquent, la planification de mouvement pour un tel système est une tâche difficile d'un point de vue calculatoire. Dans ce mémoire, nous avons pour objectif de développer une méthode permettant d'utiliser la puissance de calcul des GPUs dans le contexte de la planification de mouvement corps-complet basée sur de l'optimisation. Nous montrons dans un premier temps les propriétés du problème d'optimisation, et des pistes d'étude pour la parallélisation de ce dernier. Ensuite, nous présentons notre approche du calcul de la dynamique, adaptée aux architectures de calcul parallèle. Cela nous permet de proposer une implémentation de notre problème de planification de mouvement sur GPU: contraintes et gradients sont calculés en parallèle, tandis que la résolution du problème même se déroule sur le CPU. Nous proposons en outre une nouvelle paramétrisation des forces de contact adaptée à notre problème d'optimisation. Enfin, nous étudions l'extension de notre travail au contrôle prédictifA humanoid robot is a complex system with numerous degrees of freedom, whose behavior is subject to the nonlinear equations of motion. As a result, planning its motion is a difficult task from a computational perspective.In this thesis, we aim at developing a method that can leverage the computing power of GPUs in the context of optimization-based whole-body motion planning. We first exhibit the properties of the optimization problem, and show that several avenues can be exploited in the context of parallel computing. Then, we present our approach of the dynamics computation, suitable for highly-parallel processing architectures. Next, we propose a many-core GPU implementation of the motion planning problem. Our approach computes the constraints and their gradients in parallel, and feeds the result to a nonlinear optimization solver running on the CPU. Because each constraint and its gradient can be evaluated independently for each time interval, we end up with a highly parallelizable problem that can take advantage of GPUs. We also propose a new parametrization of contact forces adapted to our optimization problem. Finally, we investigate the extension of our work to model predictive control
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Abed, Issam. "Modélisation et optimisation d'un récupérateur d'énergie vibratoire électromagnétique non-linéaire multimodale." Thesis, Besançon, 2016. http://www.theses.fr/2016BESA2003/document.
Full textAbstract:
Afin d’accomplir les promesses des récupérateurs d’énergie vibratoire (VEHs) qui s’imposent comme unealternative majeure pour garantir l’autonomie des capteurs pour la surveillance, leurs performances en termes debande passante et puissance récupérable doivent être améliorées. Dans cette thèse, à la différence des VEHs classiqueslinéaires et multimodales ou non-linéaires et mono-fréquence, on propose une approche de récupérationd’énergie basée sur des réseaux d’aimants couplés en lévitation ou élastiquement guidés combinant les avantagesdes non-linéarités et des interactions modales. Une étude bibliographique sur les récupérateurs d’énergie vibratoireest effectuée. En particulier, les inconvénients des récupérateurs linéaires et les techniques de réglage de fréquencesont présentées. De plus, les méthodes non-linéaires sont présentées pour définir une procédure de résolution permettantl’étude de la dynamique des récupérateurs non-linéaires. Les équations du mouvement qui contiennentla non-linéarité magnétique, la non-linéarité géométrique et l’amortissement électromagnétique sont résolus enutilisant la méthode de la balance harmonique couplée avec la méthode asymptotique numérique. Une méthodologied’optimisation multi-objectif basée sur l’algorithme Non Sorting Genetic Algorithm est appliquée afin decalculer les solutions optimales pour maximiser les performances du récupérateur d’énergie. Grâce au couplagenon-linéaire et aux interactions modales, pour le cas des trois aimants couplés, l’approche proposée permet la récupérationde l’énergie vibratoire dans la gamme fréquentielle 4;6 - 14;5 Hz, avec une bande passante d’environ190 % et une puissance normalisée de 20,2 mWcm-3g-2In order to accomplish the promises of vibration energy harvesters (VEHs) as a major alternative to powersensors, their performances in terms of frequency bandwidth and harvested power have to be improved. In thisthesis, unlike classical VEHs either linear and multimodal or nonlinear and mono-frequency, we propose a vibrationenergy harvesting approach based on arrays of coupled levitated or elastically guided magnets combining thebenefits of nonlinearities and modal interactions.A review of VEHs is carried out. Particularly, the design issues of linear harvesters are addressed and frequencytuning techniques are presented. A review of nonlinear methods is also presented in order to define a solving procedureenabling the investigation of the dynamics of nonlinear VEHs. The equations of motion which include themagnetic nonlinearity, the geometric nonlinearity and the electromagnetic damping are solved using the harmonicbalance method coupled with the asymptotic numerical method. A multi-objective optimization procedure isintroduced and performed using a non-dominated sorting genetic algorithm for the cases of small magnet arraysin order to select the optimal solutions in term of performances by bringing the eigenmodes close to each other interms of frequencies and amplitudes. Thanks to the nonlinear coupling and the modal interactions even for onlythree coupled magnets, the proposed method enable harvesting the vibration energy in the operating frequencyrange of 4.6–14.5 Hz, with a bandwidth of 190 % and a normalized power of 20:2mWcm-3g-2
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Bonis, Ioannis. "Optimisation and control methodologies for large-scale and multi-scale systems." Thesis, University of Manchester, 2011. https://www.research.manchester.ac.uk/portal/en/theses/optimisation-and-control-methodologies-for-largescale-and-multiscale-systems(6c4a4f13-ebae-4d9d-95b7-cca754968d47).html.
Full textAbstract:
Distributed parameter systems (DPS) comprise an important class of engineering systems ranging from "traditional" such as tubular reactors, to cutting edge processes such as nano-scale coatings. DPS have been studied extensively and significant advances have been noted, enabling their accurate simulation. To this end a variety of tools have been developed. However, extending these advances for systems design is not a trivial task . Rigorous design and operation policies entail systematic procedures for optimisation and control. These tasks are "upper-level" and utilize existing models and simulators. The higher the accuracy of the underlying models, the more the design procedure benefits. However, employing such models in the context of conventional algorithms may lead to inefficient formulations. The optimisation and control of DPS is a challenging task. These systems are typically discretised over a computational mesh, leading to large-scale problems. Handling the resulting large-scale systems may prove to be an intimidating task and requires special methodologies. Furthermore, it is often the case that the underlying physical phenomena span various temporal and spatial scales, thus complicating the analysis. Stiffness may also potentially be exhibited in the (nonlinear) models of such phenomena. The objective of this work is to design reliable and practical procedures for the optimisation and control of DPS. It has been observed in many systems of engineering interest that although they are described by infinite-dimensional Partial Differential Equations (PDEs) resulting in large discretisation problems, their behaviour has a finite number of significant components , as a result of their dissipative nature. This property has been exploited in various systematic model reduction techniques. Of key importance in this work is the identification of a low-dimensional dominant subspace for the system. This subspace is heuristically found to correspond to part of the eigenspectrum of the system and can therefore be identified efficiently using iterative matrix-free techniques. In this light, only low-dimensional Jacobians and Hessian matrices are involved in the formulation of the proposed algorithms, which are projections of the original matrices onto appropriate low-dimensional subspaces, computed efficiently with directional perturbations.The optimisation algorithm presented employs a 2-step projection scheme, firstly onto the dominant subspace of the system (corresponding to the right-most eigenvalues of the linearised system) and secondly onto the subspace of decision variables. This algorithm is inspired by reduced Hessian Sequential Quadratic Programming methods and therefore locates a local optimum of the nonlinear programming problem given by solving a sequence of reduced quadratic programming (QP) subproblems . This optimisation algorithm is appropriate for systems with a relatively small number of decision variables. Inequality constraints can be accommodated following a penalty-based strategy which aggregates all constraints using an appropriate function , or by employing a partial reduction technique in which only equality constraints are considered for the reduction and the inequalities are linearised and passed on to the QP subproblem . The control algorithm presented is based on the online adaptive construction of low-order linear models used in the context of a linear Model Predictive Control (MPC) algorithm , in which the discrete-time state-space model is recomputed at every sampling time in a receding horizon fashion. Successive linearisation around the current state on the closed-loop trajectory is combined with model reduction, resulting in an efficient procedure for the computation of reduced linearised models, projected onto the dominant subspace of the system. In this case, this subspace corresponds to the eigenvalues of largest magnitude of the discretised dynamical system. Control actions are computed from low-order QP problems solved efficiently online.The optimisation and control algorithms presented may employ input/output simulators (such as commercial packages) extending their use to upper-level tasks. They are also suitable for systems governed by microscopic rules, the equations of which do not exist in closed form. Illustrative case studies are presented, based on tubular reactor models, which exhibit rich parametric behaviour.
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Brossette, Stanislas. "Génération de Posture Multi-Contact Viable pour Robot Humanoïde par Optimisation non-linéaire sur Variétés." Thesis, Montpellier, 2016. http://www.theses.fr/2016MONTT295/document.
Full textAbstract:
Un robot humanoïde est un système polyarticulé complexe dont la cinématique et la dynamique sont gouvernées par des équations non linéaires. Trouver des postures viables qui minimisent une tâche objectif tout en satisfaisant un ensemble de contraintes (intrinsèques ou extrinsèques) est un problème central pour la planification de mouvement robotique et est une fonctionnalité importante de tout logiciel de robotique. Le générateur de posture (PG) a pour rôle de trouver une posture viable en formulant puis résolvant un problème d’optimisation non linéaire. Nous étendons l’état de l’art en proposant de nouvelles formulations et méthodes de résolution de problèmes de génération de postures. Nous enrichissons la formulation de contraintes de contact par ajout de variables au problème d’optimisation, ce qui permet au solveur de décider automatiquement de la zone d’intersection entre deux polygones en contact ou encore de décider du lieu de contact sur une surface non plane. Nous présentons une reformulation du PG qui gère nativement les variétés non Euclidiennes et nous permet de formuler des problèmes mathématiques plus élégants et efficaces. Pour résoudre de tels problèmes, nous avons développé un solveur non linéaire par SQP qui supporte nativement les variables sur variétés. Ainsi, nous avons une meilleure maîtrise de notre solveur et pouvons le spécialiser pour la résolution de problèmes de robotiqueHumanoid robots are complex poly-articulated structures whose kinematics and dynamics are governed by nonlinear equations. Finding viable postures to realize set-point task objectives under a set of constraints (intrinsic and extrinsic limitations) is a key issue in the planning of robot motion and an important feature of any robotics framework. It is handled by the so called posture generator (PG) that consists in formalizing the viable posture as the solution to a nonlinear optimization problem. We present several extensions to the state-of-the-art by exploring new formulations and resolution methods for the posture generation problems. We reformulate the notion of contact constraints by adding variables to enrich our optimization problem and allow the solver to decide on the shape of the intersection of contact polygons or of the location of a contact point on a non-flat surface. We present a reformulation of the PG problem that encompasses non-Euclidean manifolds natively for a more elegant and efficient mathematical formulation of the problems. To solve such problems, we decided to implement a new SQP solver that is most suited to non-Euclidean manifolds structural objects. By doing so, we have a better mastering in the way to tune and specialize our solver for robotics problems
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Kameni, Carole. "Etude et optimisation d’une source sonore pour la sollicitation acoustique fort niveau des satellites." Thesis, Le Mans, 2017. http://www.theses.fr/2017LEMA1008.
Full textAbstract:
Avant leur lancement dans l'espace, les satellites font l'objet de tests afin d'éprouver leurs comportements à diverses sollicitations (thermiques, acoustiques, etc.). Pour les essais acoustiques, la société Intespace soumet les satellites à de forts niveaux sonores (de l'ordre de 145 dB SPL dans la chambre réverbérante) comparables à ceux existant lors du décollage du lanceur. Elle utilise pour cela des sources électropneumatiques couplées à des pavillons débouchant dans une chambre réverbérante. Ce système acoustique assure sa mission avec succès mais la société Intespace s'interroge sur ses possibilités d'amélioration. Deux prototypes de sources pneumatiques (à disque oscillant ou rotatif, à l'échelle 1 sur 5) sont développés et construits. Les prédictions théoriques avec vena contracta sont comparées aux données expérimentales issues d'un banc de mesure. Leurs différences concernant les niveaux sonores à la sortie de la source n'excèdent pas 1 dB pour des pressions d'alimentation de 1 à 3,5 bars absolus. Un prototype de pavillon de géométrie optimisée a été construit à l'échelle 1 sur 5. Les mesures montrent des performances intéressantes. Compte tenu des niveaux sonores générés par la source, une étude de la propagation dans le pavillon met en évidence des phénomènes non linéaires, qui s'avèrent peu influencés par la présence d'un écoulement moyen pour les vitesses envisagées dans l'étude. Finalement, des mesures sont réalisées sur l'ensemble du système à l'échelle 1 sur 5, afin d'en évaluer les performances. Les niveaux sonores mesurés sont comparés aux prédictions d'un modèle issu de la théorie de Sabine. Les différences n'excèdent pas plus ou moins 3 dBBefore their launch in space, satellites are the object of tests in order to test their behaviors with diverse constraints (thermal, acoustic, etc.). In terms of acoustic qualification, the Intespace company submits the satellites to high sound levels (of the order of 145 dB SPL in the reverberating room) comparable to those existing during the take-off phase of the launcher. For this purpose, it uses electropneumatic sources coupled to horns opening into a reverberating room. This acoustic system ensures its mission successfully but Intespace is wondering about the possibilities of improving the system. Two prototypes of pneumatic sources (oscillating or rotating disk, 1 on 5 scale) are developed and constructed. Theoretical predictions taking into account the vena contracta are compared with the experimental data from an instrumented measuring bench. Their differences in the sound levels at the source outlet do not exceed 1 dB at supply pressures of 1 to 3.5 bars absolute. A horn prototype whose shapes have been optimized was built on a 1 on 5 scale. The measurements show interesting performances. Considering the sound levels generated by the source, a study of the propagation in the horn highlights nonlinear phenomena. The latter are not influenced by the presence of an average flow for the velocities envisaged in the study. Finally, measurements are realized on the whole system at 1 on 5 scale, in order to evaluate their performance. The measured sound levels are compared to the predictions of a model derived from the Sabine theory. The differences do not exceed 3 dB or less
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Young, Joseph A. "On the optimal capacity expansion of electric power systems." Thesis, University of Queensland, 1992.
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The analysis of investment in the electric power has been the subject of intensive research for many years. The efficient generation and distribution of electrical energy is a difficult task involving the operation of a complex network of facilities, often located over very large geographical regions. Electric power utilities have made use of an enormous range of mathematical models. Some models address time spans which last for a fraction of a second, such as those that deal with lightning strikes on transmission lines while at the other end of the scale there are models which address time horizons consisting of ten or twenty years; these usually involve long range planning issues.
This thesis addresses the optimal long term capacity expansion of an interconnected power system. The aim of this study has been to derive a new, long term planning model which recognises the regional differences which exist for energy demand and which are present in the construction and operation of power plant and transmission line equipment. Perhaps the most innovative feature of the new model is the direct inclusion of regional energy demand curves in the nonlinear form. This results in a nonlinear capacity expansion model.
After review of the relevant literature, the thesis first develops a model for the optimal operation of a power grid. This model directly incorporates regional demand curves. The model is a nonlinear programming problem containing both integer and continuous variables. A solution algorithm is developed which is based upon a resource decomposition scheme that separates the integer variables from the continuous ones. The decompostion of the operating problem leads to an interactive scheme which employs a mixed integer programming problem, known as the master, to generate trial operating configurations. The optimum operating conditions of each trial configuration is found using a smooth nonlinear programming model. The dual vector recovered from this model is subsequently used by the master to generate the next trial configuration. The solution algorithm progresses until lower and upper bounds converge. A range of numerical experiments are conducted and these experiments are included in the discussion.
Using the operating model as a basis, a regional capacity expansion model is then developed. It determines the type, location and capacity of additional power plants and transmission lines, which are required to meet predicted electicity demands. A generalised resource decompostion scheme, similar to that used to solve the operating problem, is employed. The solution algorithm is used to solve a range of test problems and the results of these numerical experiments are reported. Finally, the expansion problem is applied to the Queensland electricity grid in Australia.
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Farano, Mirko. "Using nonlinear optimization to understand coherent structures in turbulence and transition." Thesis, Paris, ENSAM, 2017. http://www.theses.fr/2017ENAM0047/document.
Full textAbstract:
Cette thèse vise à démêler les principaux mécanismes impliqués dans les écoulements transitoires et turbulents. L’idée centrale est d'utiliser une technique d’optimisation non linéaire pour étudier l’origine et le rôle des structures cohérentes habituellement observées dans ces écoulements. Cette méthode a été utilisée dans trois contextes différents. Tout d’abord, un écoulement laminaire linéairement stable a été considéré et l'optimisation a été utilisée pour calculer les perturbations les plus amplifiées parmi toutes les perturbations capables de déclencher une transition vers la turbulence. Une fois que la turbulence est bien établie, une optimisation non linéaire entièrement 3D maximisant l'énergie cinétique turbulente est utilisée pour étudier les structures cohérentes qui peuplent l’écoulement turbulent et les mécanismes responsables de la croissance et de l’échange d’énergie (optimale) sont étudiés. Ensuite, une approche de type système dynamique est appliquée aux équations du mouvement. La géométrie de l’espace des phases est étudiée en utilisant la théorie de la croissance transitoire pour évaluer l’importance des variétés stable et instable dans la dynamique. Dans le même cadre, un algorithme de minimisation non linéaire est utilisé pour calculer les connexions hétérocliniques parmi les solutions invariantes des équations de Navier-StokesThis thesis aims at unraveling the main mechanisms involved in transitional and turbulent flows. The central idea is that of using a nonlinear optimization technique to investigate the origin and role of coherent structures usually observed in these flows. This method has been used in three different contexts. First, a linearly stable laminar flow has been considered and the optimization has been used to compute the most amplified perturbations among all disturbances able to trigger transition to turbulence. Once turbulence is well established, a fully 3D nonlinear optimization maximizing the turbulent kinetic energy is used to study coherent structures populating turbulent shear flow as well as investigate the mechanisms responsible for the energy (optimally) growth and exchange. Then, a dynamical system approach is applied to fluid flow equations. The geometry of the state space is investigated by using transient growth theory to reveal the importance of the stable and unstable manifold. In the same framework, a nonlinear minimization algorithm is used to compute heteroclinic connections among invariant solutions of the Navier-Stokes equations
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Ahmed, Mariam Samir. "Optimisation de contrôle commande des systèmes de génération d'électricité à cycle de relaxation." Thesis, Grenoble, 2014. http://www.theses.fr/2014GRENT019/document.
Full textAbstract:
Un de nos grands défis actuels est la décarbonisation du réseau électrique en éliminant les générateurs d'électricité à base de carburant, et de les remplacer de préférence par des ressources publiquement acceptés et qui respectent la nature de l'environnement. C'est où les ressources énergétiques renouvelables soulèvent comme une solution prometteuse. Les Systèmes de génération d'électricité à cycle de relaxation représentent notamment une classe intéressante des énergies renouvelables. Un tel système doit retrouver périodiquement un état qui permet la production d'énergie, ce qui entraîne un cycle à deux phases : une phase de génération et une phase de récupération qui consomme l'énergie. L'intérêt principal de cette thèse est focaliser sur le système de traction à base de cerf-volant, appelé par la suite le Kite Generator System (KGS). Il s'agit d'une solution proposée pour extraire l'énergie du vent stable et forte dans les hautes altitudes. Son principe de fonctionnement est d'entraîner mécaniquement un générateur électrique au sol en utilisant un ou plusieurs cerfs-volants captifs. La problématique est divisée en deux objectifs : 1 - L'optimisation et le contrôle du cycle de relaxation afin de maximiser la puissance moyenne produite par le système. Deux stratégies de contrôle sont proposées à cet effet : une basée sur un contrôle du modèle non linéaire prédictif (Nonlinear model predictive control - NMPC), et la deuxième basée sur l'application des contraintes virtuel (Virtual Constraints Control - VCC). 2 - L'Intégration du système sur le réseau électrique ou l'employer pour alimenter une charge isolée. Ces problèmes sont abordés dans cette thèse, réalisée au laboratoire de génie électrique de Grenoble (G2ELab) en collaboration avec le laboratoire d'Image Parole Signal Automatique de Grenoble (GIPSA-Lab)One of our current major challenges is decarbonizing the electric grid by eliminating fuel based electricity generators, and replacing them preferably by nature-friendly publicly accepted resources. That is where renewable energy resources raise as a promising solution. Power relaxation-cycle systems represent an interesting and particular class of renewable. Such a system needs to regain periodically a state that allows energy production. Hence, it has two phases: A generation during which the system is working in its "power" region and is able to generate power and a recovery phase that starts when the system reaches its power region boundaries and resets the system's state to start a new generation phase, which results in power consumption. The main focus of this PhD dissertation is the kite-based traction system, named thereafter the kite generator system (KGS), which emerged as an important class of renewable energy systems that uses relaxation phases. It is a solution proposed to extract energy from the steady and strong wind found in high altitudes. Its operation principle is to mechanically drive a ground-based electric generator using one or several tethered kites. The problematic is divided into two objectives: 1 - Optimization and control of the relaxation cycle to maximize the system's average produced power. Two control strategies are proposed for this purpose: A nonlinear model predictive control (NMPC) based and virtual constraints control (VCC) based one. 2 - Integration of the system on the electric grid or employing it to supply an isolated load. These problems are addressed in this thesis, realized in Grenoble Electrical Engineering laboratory (G2ELab) with collaboration with Grenoble Image Parole Signal Automatique laboratory (GIPSA-Lab)
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Barbosa, Da Cunha Junior Americo. "Modeling and uncertainty quantification in the nonlinear stochastic dynamics of horizontal drillstrings." Thesis, Paris Est, 2015. http://www.theses.fr/2015PEST1041/document.
Full textAbstract:
Prospection de pétrole utilise un équipement appelé tube de forage pour forer le sol jusqu'au le niveau du réservoir. Cet équipement est une longue colonne rotative, composée par une série de tiges de forage interconnectées et les équipements auxiliaires. La dynamique de cette colonne est très complexe parce que dans des conditions opérationnelles normales, elle est soumise à des vibrations longitudinales, latérales et de torsion, qui présentent un couplage non linéaire. En outre, cette structure est soumise à effets de frottement et à des chocs dûs aux contacts mécaniques entre les paires tête de forage/sol et tube de forage/sol. Ce travail présente un modèle mécanique-mathématique pour analyser un tube de forage en configuration horizontale. Ce modèle utilise la théorie des poutres qui utilise l'inertie de rotation, la déformation de cisaillement et le couplage non linéaire entre les trois mécanismes de vibration. Les équations du modèle sont discrétisées par la méthode des éléments finis. Les incertitudes des paramètres du modèle d'interaction tête de forage/sol sont prises en compte par l'approche probabiliste paramétrique, et les distributions de probabilité des paramètres aléatoires sont construits par le principe du maximum d'entropie. Des simulations numériques sont réalisées afin de caractériser le comportement dynamique non linéaire de la structure, et en particulier, de l'outil de forage. Des phénomènes dynamiques non linéaires par nature, comme le slick-slip et le bit-bounce, sont observés dans les simulations, ainsi que les chocs. Une analyse spectrale montre étonnamment que les phénomènes slick-slip et bit-bounce résultent du mécanisme de vibration latérale, et ce phénomène de choc vient de la vibration de torsion. Cherchant à améliorer l'efficacité de l'opération de forage, un problème d'optimisation qui cherche à maximiser la vitesse de pénétration de la colonne dans le sol, sur ses limites structurelles, est proposé et résoluOil prospecting uses an equipment called drillstring to drill the soil until the reservoir level. This equipment is a long column under rotation, composed by a sequence of connected drill-pipes and auxiliary equipment. The dynamics of this column is very complex because, under normal operational conditions, it is subjected to longitudinal, lateral, and torsional vibrations, which presents a nonlinear coupling. Also, this structure is subjected to friction and shocks effects due to the mechanical contacts between the pairs drill-bit/soil and drill-pipes/borehole. This work presents a mechanical-mathematical model to analyze a drillstring in horizontal configuration. This model uses a beam theory which accounts rotatory inertia, shear deformation, and the nonlinear coupling between three mechanisms of vibration. The model equations are discretized using the finite element method. The uncertainties in bit-rock interaction model parameters are taken into account through a parametric probabilistic approach, and the random parameters probability distributions are constructed by means of maximum entropy principle. Numerical simulations are conducted in order to characterize the nonlinear dynamic behavior of the structure, specially, the drill-bit. Dynamical phenomena inherently nonlinear, such as slick-slip and bit-bounce, are observed in the simulations, as well as shocks. A spectral analysis shows, surprisingly, that slick-slip and bit-bounce phenomena result from the lateral vibration mechanism, and that shock phenomena comes from the torsional vibration. Seeking to increase the efficiency of the drilling process, an optimization problem that aims to maximize the rate of penetration of the column into the soil, respecting its structural limits, is proposed and solved
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Grisey, Anthony. "Modélisation et optimisation de la déposition de chaleur pour les ablations thermiques par ultrasons focalisés." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015SACLC008.
Full textAbstract:
L'objectif de ce manuscrit est de présenter mes travaux concernant la modélisation des ablations thermiques par ultrasons focalisés. La méthode de simulation du faisceau acoustique, fondée sur l'utilisation de la bibliothèque k-Wave, est appliquée à un cas concret de propagation des ultrasons à travers une couche de tissu superficiel. Des mesures à l'hydrophone réalisées dans différentes configurations sur des échantillons biologiques fournissent une validation en régime linéaire. A partir de ces résultats, l'influence des tissus superficiels sur la focalisation est évaluée en fonction de la géométrie du problème grâce à des simulations non linéaires.La modélisation thermique des traitements est ensuite discutée avec la volonté de réaliser des simulations thermiques réellement quantitatives. En particulier, un modèle équivalent de la déposition de chaleur en présence d'ébullition est proposé et validé grâce à l'utilisation de données expérimentales originales, diversifiées et peu coûteuses à acquérir.Finalement, un algorithme d'optimisation fondé sur le principe du maximum de Pontryagin est proposé afin d'optimiser la durée des traitements. L'approche étudiée consiste à optimiser la trajectoire du point focal pour maximiser l'efficacité de la déposition de chaleur. A travers une série d'exemples, les avantages et les limites de l'algorithme proposé sont discutésThis manuscript aims at discussing the complex issue of modeling high-intensity focused ultrasound thermal ablations. An acoustical simulation method, based on the use of the k-Wave library, is described and applied to the description of the interaction between the acoustic beam and the superficial tissue layers. It is validated in the linear domain based on hydrophone measurements realized in different configurations with biological samples. Nonlinear simulations are subsequently used to evaluate the influence of the tissue geometry on the beam focusing.The thermal modeling of the treatment is then discussed with intent to design a truly quantitative model. An equivalent model of the modified heat deposition pattern in presence of boiling is presented and validated based on the use of original, diverse and unexpensive data.Finally, an algorithm is proposed to optimize the focal spot trajectory in order to maximize the heat deposition efficiency, thus reducing treatment time. The advantages and the limits of the approach are discussed based on different examples
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De, Queiroz Lima Roberta. "Modeling and simulation in nonlinear stochastic dynamic of coupled systems and impact." Thesis, Paris Est, 2015. http://www.theses.fr/2015PEST1049/document.
Full textAbstract:
Dans cette Thèse, la conception robuste avec un modèle incertain d'un système électromécanique avec vibro-impact est fait. Le système électromécanique est constitué d'un chariot, dont le mouvement est excité par un moteur à courant continu et un marteau embarqué dans ce chariot. Le marteau est relié au chariot par un ressort non linéaire et par un amortisseur linéaire, de façon qu'un mouvement relatif existe entre eux. Une barrière flexible linéaire, placé à l'extérieur du chariot limite les mouvements de marteau. En raison du mouvement relatif entre le marteau et la barrière, impacts peuvent se produire entre ces deux éléments. Le modèle du système développé prend en compte l'influence du courant continu moteur dans le comportement dynamique du système. Certains paramètres du système sont incertains, tels comme les coefficients de rigidité et d'amortissement de la barrière flexible. L'objectif de la Thèse est de réaliser une optimisation de ce système électromécanique par rapport aux paramètres de conception afin de maximiser l'impact puissance sous la contrainte que la puissance électrique consommée par le moteur à courant continu est inférieure à une valeur maximale. Pour choisir les paramètres de conception dans le problème d'optimisation, une analyse de sensibilité a été réalisée afin de définir les paramètres du système les plus sensibles. L'optimisation est formulée dans le cadre de la conception robuste en raison de la présence d'incertitudes dans le modèle. Les lois de probabilités liées aux variables aléatoires du problème sont construites en utilisant le Principe du Maximum l'Entropie et les statistiques de la réponse stochastique du système sont calculées en utilisant la méthode de Monte Carlo. L'ensemble d'équations non linéaires sont présentés, et un solveur temporel adapté est développé. Le problème d'optimisation non linéaire stochastique est résolu pour différents niveaux d'incertitudes, et aussi pour le cas déterministe. Les résultats sont différents, ce qui montre l'importance de la modélisation stochastiqueIn this Thesis, the robust design with an uncertain model of a vibro-impact electromechanical system is done. The electromechanical system is composed of a cart, whose motion is excited by a DC motor (motor with continuous current), and an embarked hammer into this cart. The hammer is connected to the cart by a nonlinear spring component and by a linear damper, so that a relative motion exists between them. A linear flexible barrier, placed outside of the cart, constrains the hammer movements. Due to the relative movement between the hammer and the barrier, impacts can occur between these two elements. The developed model of the system takes into account the influence of the DC motor in the dynamic behavior of the system. Some system parameters are uncertain, such as the stiffness and the damping coefficients of the flexible barrier. The objective of the Thesis is to perform an optimization of this electromechanical system with respect to design parameters in order to maximize the impact power under the constraint that the electric power consumed by the DC motor is lower than a maximum value. To chose the design parameters in the optimization problem, an sensitivity analysis was performed in order to define the most sensitive system parameters. The optimization is formulated in the framework of robust design due to the presence of uncertainties in the model. The probability distributions of random variables are constructed using the Maximum Entropy Principle and statistics of the stochastic response of the system are computed using the Monte Carlo method. The set of nonlinear equations are presented, and an adapted time domain solver is developed. The stochastic nonlinear constrained design optimization problem is solved for different levels of uncertainties, and also for the deterministic case. The results are different and this show the importance of the stochastic modeling
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Bouharguane, Afaf. "Analyse, simulation numérique et optimisation de modèles non-locaux en morphodynamique littorale." Thesis, Montpellier 2, 2011. http://www.theses.fr/2011MON20032.
Full textAbstract:
Ce travail est motivé par une demande croissante d'informations quantitatives sur l'évolution du littoral. Nous avons étudié deux approches pour l'analyse de la dynamique sédimentaire. Les deux techniques aboutissent à la résolution de modèles non-locaux pour le fond. L'étude mathématique a porté sur l'analyse de l'existence et l'unicité de perturbations autour des ondes progressives solutions du modèle de Fowler. Nous avons montré que les solutions constantes de l'équation de Fowler sont instables. Pour la simulation numérique de ce modèle, nous avons dans un premier temps considéré des schémas aux différences finies explicites pour lesquels nous avons obtenu des critères de stabilité numérique. Dans un second temps, nous avons utilisé une approche par splitting de sorte à pouvoir résoudre la convection, puis la diffusion et l'anti-diffusion fractionnaire de façon exacte. Ensuite, il est apparu que nous pouvions utiliser les principes de minimisation pour décrire l'évolution d'un lit érodable sous l'action de l'eau où le fond est considéré comme une structure déformable de faible rigidité s'adaptant en minimisant une certaine fonctionnelle d'énergie. Il est intéressant de constater que cette seconde approche peut être liée à la première car elle débouche aussi sur une équation de type Exner avec un terme non-local. En nous inspirant du modèle morphodynamique non-local de Fowler, nous concluons cette thèse par une application exotique au traitement de signal où nous proposons une nouvelle méthode de filtrageThis work is motivated by a growing demand for quantitative information on the evolution of the coastline.We have studied two approaches for the analysis of sand morphodynamics.Both techniques lead to the resolution of nonlocal models for the seabottom.The mathematical study focused on the analysis of the existence and uniqueness of perturbations around the travelling-waves solutions of the Fowler model. We have shown that constant solutions of Fowler's equation are unstable.For the numerical simulation of this model, we have first considered explicit finite difference schemes for which we got numerical stability criteria. We have next used an approach by splitting method in order to solve first the convection, then the diffusion/fractional anti-diffusion exactly. We have also used minimization principles to describe the evolution of an erodible bed sheared by a fluid flow where the seabed is considered as a deformable structure with low stiffness whichadapts itself by minimizing a certain energy functional. It is interesting to note that this secondapproach can be linked to the first one because it also leads to a new Exner equation with a nonlocal term for the flux. Inspired by Fowler's morphodynamical model, we conclude this dissertation with an unexpected application to signal processing
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Omheni, Riadh. "Méthodes primales-duales régularisées pour l'optimisation non linéaire avec contraintes." Thesis, Limoges, 2014. http://www.theses.fr/2014LIMO0045/document.
Full textAbstract:
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la conception, l’analyse et la mise en œuvre d’algorithmes efficaces et fiables pour la résolution de problèmes d’optimisation non linéaire avec contraintes. Nous présentons trois nouveaux algorithmes fortement primaux-duaux pour résoudre ces problèmes. La première caractéristique de ces algorithmes est que le contrôle des itérés s’effectue dans l’espace primal-dual tout au long du processus de la minimisation, d’où l’appellation “fortement primaux-duaux”. En particulier, la globalisation est effectuée par une méthode de recherche linéaire qui utilise une fonction de mérite primale-duale. La deuxième caractéristique est l’introduction d’une régularisation naturelle du système linéaire qui est résolu à chaque itération pour calculer une direction de descente. Ceci permet à nos algorithmes de bien se comporter pour résoudre les problèmes dégénérés pour lesquels la jacobienne des contraintes n’est pas de plein rang. La troisième caractéristique est que le paramètre de pénalisation est autorisé à augmenter au cours des itérations internes, alors qu’il est généralement maintenu constant. Cela permet de réduire le nombre d’itérations internes. Une étude théorique détaillée incluant l’analyse de convergence globale des itérations internes et externes, ainsi qu’une analyse asymptotique a été présentée pour chaque algorithme. En particulier, nous montrons qu’ils jouissent d’un taux de convergence rapide, superlinéaire ou quadratique. Ces algorithmes sont implémentés dans un nouveau solveur d’optimisation non linéaire qui est appelé SPDOPT. Les bonnes performances de ce solveur ont été montrées en effectuant des comparaisons avec les codes de références IPOPT, ALGENCAN et LANCELOT sur une large collection de problèmesThis thesis focuses on the design, analysis, and implementation of efficient and reliable algorithms for solving nonlinearly constrained optimization problems. We present three new strongly primal-dual algorithms to solve such problems. The first feature of these algorithms is that the control of the iterates is done in both primal and dual spaces during the whole minimization process, hence the name “strongly primal-dual”. In particular, the globalization is performed by applying a backtracking line search algorithm based on a primal-dual merit function. The second feature is the introduction of a natural regularization of the linear system solved at each iteration to compute a descent direction. This allows our algorithms to perform well when solving degenerate problems for which the Jacobian of constraints is rank deficient. The third feature is that the penalty parameter is allowed to increase along the inner iterations, while it is usually kept constant. This allows to reduce the number of inner iterations. A detailed theoretical study including the global convergence analysis of both inner and outer iterations, as well as an asymptotic convergence analysis is presented for each algorithm. In particular, we prove that these methods have a high rate of convergence : superlinear or quadratic. These algorithms have been implemented in a new solver for nonlinear optimization which is called SPDOPT. The good practical performances of this solver have been demonstrated by comparing it to the reference codes IPOPT, ALGENCAN and LANCELOT on a large collection of test problems
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Tröltzsch, Anke. "An active-set trust-region method for bound-constrained nonlinear optimization without derivatives applied to noisy aerodynamic design problems." Thesis, Toulouse, INPT, 2011. http://www.theses.fr/2011INPT0031/document.
Full textAbstract:
L’optimisation sans dérivées (OSD) a connu un regain d’intérêt ces dernières années, principalement motivée par le besoin croissant de résoudre les problèmes d’optimisation définis par des fonctions dont les valeurs sont calculées par simulation (par exemple, la conception technique, la restauration d’images médicales ou de nappes phréatiques).Ces dernières années, un certain nombre de méthodes d’optimisation sans dérivée ont été développées et en particulier des méthodes fondées sur un modèle de région de confiance se sont avérées obtenir de bons résultats.Dans cette thèse, nous présentons un nouvel algorithme de région de confiance, basé sur l’interpolation, qui se montre efficace et globalement convergent (en ce sens que sa convergence vers un point stationnaire est garantie depuis tout point de départ arbitraire). Le nouvel algorithme repose sur la technique d’auto-correction de la géométrie proposé par Scheinberg and Toint (2010). Dans leur théorie, ils ont fait avancer la compréhension du rôle de la géométrie dans les méthodes d’OSD à base de modèles. Dans notre travail, nous avons pu améliorer considérablement l’efficacité de leur méthode, tout en maintenant ses bonnes propriétés de convergence. De plus, nous examinons l’influence de différents types de modèles d’interpolation sur les performances du nouvel algorithme.Nous avons en outre étendu cette méthode pour prendre en compte les contraintes de borne par l’application d’une stratégie d’activation. Considérer une méthode avec ensemble actif pour l’optimisation basée sur des modèles d’interpolation donne la possibilité d’économiser une quantité importante d’évaluations de fonctions. Il permet de maintenir les ensembles d’interpolation plus petits tout en poursuivant l’optimisation dans des sous-espaces de dimension inférieure. L’algorithme résultant montre un comportement numérique très compétitif. Nous présentons des résultats sur un ensemble de problèmes-tests issu de la collection CUTEr et comparons notre méthode à des algorithmes de référence appartenant à différentes classes de méthodes d’OSD.Pour réaliser des expériences numériques qui intègrent le bruit, nous créons un ensemble de cas-tests bruités en ajoutant des perturbations à l’ensemble des problèmes sans bruit. Le choix des problèmes bruités a été guidé par le désir d’imiter les problèmes d’optimisation basés sur la simulation. Enfin, nous présentons des résultats sur une application réelle d’un problème de conception de forme d’une aile fourni par AirbusDerivative-free optimization (DFO) has enjoyed renewed interest over the past years, mostly motivated by the ever growing need to solve optimization problems defined by functions whose values are computed by simulation (e.g. engineering design, medical image restoration or groundwater supply).In the last few years, a number of derivative-free optimization methods have been developed and especially model-based trust-region methods have been shown to perform well.In this thesis, we present a new interpolation-based trust-region algorithm which shows to be efficient and globally convergent (in the sense that its convergence is guaranteed to a stationary point from arbitrary starting points). The new algorithm relies on the technique of self-correcting geometry proposed by Scheinberg and Toint [128] in 2009. In their theory, they advanced the understanding of the role of geometry in model-based DFO methods, in our work, we improve the efficiency of their method while maintaining its good theoretical convergence properties. We further examine the influence of different types of interpolation models on the performance of the new algorithm.Furthermore, we extended this method to handle bound constraints by applying an active-set strategy. Considering an active-set method in bound-constrained model-based optimization creates the opportunity of saving a substantial amount of function evaluations. It allows to maintain smaller interpolation sets while proceeding optimization in lower dimensional subspaces. The resulting algorithm is shown to be numerically highly competitive. We present results on a test set of smooth problems from the CUTEr collection and compare to well-known state-of-the-art packages from different classes of DFO methods.To report numerical experiments incorporating noise, we create a test set of noisy problems by adding perturbations to the set of smooth problems. The choice of noisy problems was guided by a desire to mimic simulation-based optimization problems. Finally, we will present results on a real-life application of a wing-shape design problem provided by Airbus
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Gürol, Selime. "Solving regularized nonlinear least-squares problem in dual space with application to variational data assimilation." Thesis, Toulouse, INPT, 2013. http://www.theses.fr/2013INPT0040/document.
Full textAbstract:
Cette thèse étudie la méthode du gradient conjugué et la méthode de Lanczos pour la résolution de problèmes aux moindres carrés non-linéaires sous déterminés et régularisés par un terme de pénalisation quadratique. Ces problèmes résultent souvent d'une approche du maximum de vraisemblance, et impliquent un ensemble de m observations physiques et n inconnues estimées par régression non linéaire. Nous supposons ici que n est grand par rapport à m. Un tel cas se présente lorsque des champs tridimensionnels sont estimés à partir d'observations physiques, par exemple dans l'assimilation de données appliquée aux modèles du système terrestre. Un algorithme largement utilisé dans ce contexte est la méthode de Gauss- Newton (GN), connue dans la communauté d'assimilation de données sous le nom d'assimilation variationnelle des données quadridimensionnelles. Le procédé GN repose sur la résolution approchée d'une séquence de moindres carrés linéaires optimale dans laquelle la fonction coût non-linéaire des moindres carrés est approximée par une fonction quadratique dans le voisinage de l'itération non linéaire en cours. Cependant, il est bien connu que cette simple variante de l'algorithme de Gauss-Newton ne garantit pas une diminution monotone de la fonction coût et sa convergence n'est donc pas garantie. Cette difficulté est généralement surmontée en utilisant une recherche linéaire (Dennis and Schnabel, 1983) ou une méthode de région de confiance (Conn, Gould and Toint, 2000), qui assure la convergence globale des points critiques du premier ordre sous des hypothèses faibles. Nous considérons la seconde de ces approches dans cette thèse. En outre, compte tenu de la grande échelle de ce problème, nous proposons ici d'utiliser un algorithme de région de confiance particulier s'appuyant sur la méthode du gradient conjugué tronqué de Steihaug-Toint pour la résolution approchée du sous-problème (Conn, Gould and Toint, 2000, p. 133-139) La résolution de ce sous-problème dans un espace à n dimensions (par CG ou Lanczos) est considérée comme l'approche primale. Comme alternative, une réduction significative du coût de calcul est possible en réécrivant l'approximation quadratique dans l'espace à m dimensions associé aux observations. Ceci est important pour les applications à grande échelle telles que celles quotidiennement traitées dans les systèmes de prévisions météorologiques. Cette approche, qui effectue la minimisation de l'espace à m dimensions à l'aide CG ou de ces variantes, est considérée comme l'approche duale. La première approche proposée (Da Silva et al., 1995; Cohn et al., 1998; Courtier, 1997), connue sous le nom de Système d'analyse Statistique de l'espace Physique (PSAS) dans la communauté d'assimilation de données, commence par la minimisation de la fonction de coût duale dans l'espace de dimension m par un CG préconditionné (PCG), puis revient l'espace à n dimensions. Techniquement, l'algorithme se compose de formules de récurrence impliquant des vecteurs de taille m au lieu de vecteurs de taille n. Cependant, l'utilisation de PSAS peut être excessivement coûteuse car il a été remarqué que la fonction de coût linéaire des moindres carrés ne diminue pas monotonement au cours des itérations non-linéaires. Une autre approche duale, connue sous le nom de méthode du gradient conjugué préconditionné restreint (RPCG), a été proposée par Gratton and Tshimanga (2009). Celle-ci génère les mêmes itérations en arithmétique exacte que l'approche primale, à nouveau en utilisant la formule de récurrence impliquant des vecteurs taille m. L'intérêt principal de RPCG est qu'il en résulte une réduction significative de la mémoire utilisée et des coûts de calcul tout en conservant la propriété de convergence souhaitée, contrairement à l'algorithme PSASThis thesis investigates the conjugate-gradient method and the Lanczos method for the solution of under-determined nonlinear least-squares problems regularized by a quadratic penalty term. Such problems often result from a maximum likelihood approach, and involve a set of m physical observations and n unknowns that are estimated by nonlinear regression. We suppose here that n is large compared to m. These problems are encountered for instance when three-dimensional fields are estimated from physical observations, as is the case in data assimilation in Earth system models. A widely used algorithm in this context is the Gauss-Newton (GN) method, known in the data assimilation community under the name of incremental four dimensional variational data assimilation. The GN method relies on the approximate solution of a sequence of linear least-squares problems in which the nonlinear least-squares cost function is approximated by a quadratic function in the neighbourhood of the current nonlinear iterate. However, it is well known that this simple variant of the Gauss-Newton algorithm does not ensure a monotonic decrease of the cost function and that convergence is not guaranteed. Removing this difficulty is typically achieved by using a line-search (Dennis and Schnabel, 1983) or trust-region (Conn, Gould and Toint, 2000) strategy, which ensures global convergence to first order critical points under mild assumptions. We consider the second of these approaches in this thesis. Moreover, taking into consideration the large-scale nature of the problem, we propose here to use a particular trust-region algorithm relying on the Steihaug-Toint truncated conjugate-gradient method for the approximate solution of the subproblem (Conn, Gould and Toint, 2000, pp. 133-139). Solving this subproblem in the n-dimensional space (by CG or Lanczos) is referred to as the primal approach. Alternatively, a significant reduction in the computational cost is possible by rewriting the quadratic approximation in the m-dimensional space associated with the observations. This is important for large-scale applications such as those solved daily in weather prediction systems. This approach, which performs the minimization in the m-dimensional space using CG or variants thereof, is referred to as the dual approach. The first proposed dual approach (Courtier, 1997), known as the Physical-space Statistical Analysis System (PSAS) in the data assimilation community starts by solving the corresponding dual cost function in m-dimensional space by a standard preconditioned CG (PCG), and then recovers the step in n-dimensional space through multiplication by an n by m matrix. Technically, the algorithm consists of recurrence formulas involving m-vectors instead of n-vectors. However, the use of PSAS can be unduly costly as it was noticed that the linear least-squares cost function does not monotonically decrease along the nonlinear iterations when applying standard termination. Another dual approach has been proposed by Gratton and Tshimanga (2009) and is known as the Restricted Preconditioned Conjugate Gradient (RPCG) method. It generates the same iterates in exact arithmetic as those generated by the primal approach, again using recursion formula involving m-vectors. The main interest of RPCG is that it results in significant reduction of both memory and computational costs while maintaining the desired convergence property, in contrast with the PSAS algorithm. The relation between these two dual approaches and the question of deriving efficient preconditioners (Gratton, Sartenaer and Tshimanga, 2011), essential when large-scale problems are considered, was not addressed in Gratton and Tshimanga (2009)
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Ouazène, Yassine. "Maîtrise des systèmes industriels : optimisation de la conception des lignes de production." Thesis, Troyes, 2013. http://www.theses.fr/2013TROY0025/document.
Full textAbstract:
Lors de la phase de conception d'un système de production, toutes les alternatives fonctionnelles et technologiques doivent être étudiées afin de proposer la ou les meilleures solutions possibles. Ceci se traduit souvent par une conjugaison de plusieurs sous-problèmes tels que: la sélection de pièces d'équipements à partir d'un ensemble de solutions candidates pour chaque opération de fabrication; l'équilibrage et le dimensionnement des postes de travail; le dimensionnement des zones de stockage; le dimensionnement des systèmes de transport et l'aménagement des emplacements.Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à l’évaluation des performances ainsi qu’à l’optimisation de la conception d’un système de production très répandus dans l'industrie manufacturière à gros volume à savoir les lignes de production en série.Nous avons proposé une nouvelle méthode analytique d’évaluation de performances dite « Méthodes par Machines Equivalentes ». Cette méthode présente les avantages d'être plus précise et plus rapide que les approches existantes dans la littérature. Nous avons aussi montré la pertinence de cette méthode pour l’évaluation du taux de production des systèmes en configuration séries-parallèles ainsi que les lignes avec des machines ayant plusieurs modes de défaillance. Nous avons aussi développé un nouvel algorithme de programmation non linéaire afin d’optimiser le dimensionnement des stocks intermédiairesDuring the design phase of a production system, all functional and technological alternatives should be explored in order to propose the best possible solutions. This often results in a combination of several sub-problems such as: selection of pieces of equipments from a set of candidate solutions for each manufacturing operation, dimensioning and allocation of buffers and storage areas, balancing workload among the different workstations, the specification of the type and capacity of the material handling system and the layout of equipments which consists of determining which workstations should be adjacent to each other and how they should be connected.In this context, we were interested in performance evaluation and optimization of serial production lines which are very common in high volume production systems.We have proposed a new analytical method, known as « Equivalent Machines Method» to evaluate the production line throughput. This method has the advantages to be more accurate and faster than the existing approaches in the literature.We have also established the relevance of this method for evaluating the production rate of series-parallel systems and other serial lines with machines having multiple failure modes.We have also developed a new algorithm based on nonlinear programming approach to solve the buffer allocation problem
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Wang, Chen. "Variants of Deterministic and Stochastic Nonlinear Optimization Problems." Thesis, Paris 11, 2014. http://www.theses.fr/2014PA112294/document.
Full textAbstract:
Les problèmes d’optimisation combinatoire sont généralement réputés NP-difficiles, donc il n’y a pas d’algorithmes efficaces pour les résoudre. Afin de trouver des solutions optimales locales ou réalisables, on utilise souvent des heuristiques ou des algorithmes approchés. Les dernières décennies ont vu naitre des méthodes approchées connues sous le nom de métaheuristiques, et qui permettent de trouver une solution approchées. Cette thèse propose de résoudre des problèmes d’optimisation déterministe et stochastique à l’aide de métaheuristiques. Nous avons particulièrement étudié la méthode de voisinage variable connue sous le nom de VNS. Nous avons choisi cet algorithme pour résoudre nos problèmes d’optimisation dans la mesure où VNS permet de trouver des solutions de bonne qualité dans un temps CPU raisonnable. Le premier problème que nous avons étudié dans le cadre de cette thèse est le problème déterministe de largeur de bande de matrices creuses. Il s’agit d’un problème combinatoire difficile, notre VNS a permis de trouver des solutions comparables à celles de la littérature en termes de qualité des résultats mais avec temps de calcul plus compétitif. Nous nous sommes intéressés dans un deuxième temps aux problèmes de réseaux mobiles appelés OFDMA-TDMA. Nous avons étudié le problème d’affectation de ressources dans ce type de réseaux, nous avons proposé deux modèles : Le premier modèle est un modèle déterministe qui permet de maximiser la bande passante du canal pour un réseau OFDMA à débit monodirectionnel appelé Uplink sous contraintes d’énergie utilisée par les utilisateurs et des contraintes d’affectation de porteuses. Pour ce problème, VNS donne de très bons résultats et des bornes de bonne qualité. Le deuxième modèle est un problème stochastique de réseaux OFDMA d’affectation de ressources multi-cellules. Pour résoudre ce problème, on utilise le problème déterministe équivalent auquel on applique la méthode VNS qui dans ce cas permet de trouver des solutions avec un saut de dualité très faible. Les problèmes d’allocation de ressources aussi bien dans les réseaux OFDMA ou dans d’autres domaines peuvent aussi être modélisés sous forme de problèmes d’optimisation bi-niveaux appelés aussi problèmes d’optimisation hiérarchique. Le dernier problème étudié dans le cadre de cette thèse porte sur les problèmes bi-niveaux stochastiques. Pour résoudre le problème lié à l’incertitude dans ce problème, nous avons utilisé l’optimisation robuste plus précisément l’approche appelée « distributionnellement robuste ». Cette approche donne de très bons résultats légèrement conservateurs notamment lorsque le nombre de variables du leader est très supérieur à celui du suiveur. Nos expérimentations ont confirmé l’efficacité de nos méthodes pour l’ensemble des problèmes étudiésCombinatorial optimization problems are generally NP-hard problems, so they can only rely on heuristic or approximation algorithms to find a local optimum or a feasible solution. During the last decades, more general solving techniques have been proposed, namely metaheuristics which can be applied to many types of combinatorial optimization problems. This PhD thesis proposed to solve the deterministic and stochastic optimization problems with metaheuristics. We studied especially Variable Neighborhood Search (VNS) and choose this algorithm to solve our optimization problems since it is able to find satisfying approximated optimal solutions within a reasonable computation time. Our thesis starts with a relatively simple deterministic combinatorial optimization problem: Bandwidth Minimization Problem. The proposed VNS procedure offers an advantage in terms of CPU time compared to the literature. Then, we focus on resource allocation problems in OFDMA systems, and present two models. The first model aims at maximizing the total bandwidth channel capacity of an uplink OFDMA-TDMA network subject to user power and subcarrier assignment constraints while simultaneously scheduling users in time. For this problem, VNS gives tight bounds. The second model is stochastic resource allocation model for uplink wireless multi-cell OFDMA Networks. After transforming the original model into a deterministic one, the proposed VNS is applied on the deterministic model, and find near optimal solutions. Subsequently, several problems either in OFDMA systems or in many other topics in resource allocation can be modeled as hierarchy problems, e.g., bi-level optimization problems. Thus, we also study stochastic bi-level optimization problems, and use robust optimization framework to deal with uncertainty. The distributionally robust approach can obtain slight conservative solutions when the number of binary variables in the upper level is larger than the number of variables in the lower level. Our numerical results for all the problems studied in this thesis show the performance of our approaches
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Mat, Zali Samila Binti. "Equivalent dynamic model of distribution network with distributed generation." Thesis, University of Manchester, 2012. https://www.research.manchester.ac.uk/portal/en/theses/equivalent-dynamic-model-of-distribution-network-with-distributed-generation(f4dc9bba-ed4a-4c74-a727-735f3addb6b2).html.
Full textAbstract:
Today’s power systems are based on a centralised system and distribution networks that are considered as passive terminations of transmission networks. The high penetration of Distributed Generation (DG) at the distribution network level has created many challenges for this structure. New tools and simulation approaches are required to address the subject and to quantify the dynamic characteristics of the system. A distribution network or part of it with DG, Active Distribution Network Cell (ADNC), can no longer be considered as passive. An equivalent dynamic model of ADNC is therefore extremely important, as it enables power system operators to quickly estimate the impact of disturbances on the power system’s dynamic behaviour. A dynamic equivalent model works by reducing both the complexity of the distribution network and the computation time required to run a full dynamic simulation. It offers a simple and low-order representation of the system without compromising distribution network dynamic characteristics and behaviour as seen by the external grid. This research aims to develop a dynamic equivalent model for ADNC. It focuses on the development of an equivalent model by exploiting system identification theory, i.e. the grey-box approach. The first part of the thesis gives a comprehensive overview and background of the dynamic equivalent techniques for power systems. The research was inspired by previous work on system identification theory. It further demonstrates the theoretical concept of system identification, system load modelling and the modelling of major types of DG. An equivalent model is developed, guided by the assumed structure of the system. The problem of equivalent model development is then formulated under a system identification framework, and the parameter estimation methodology is proposed. The validation results of the effectiveness and accuracy of the developed model are presented. This includes the estimation of the parameter model using a clustering algorithm to improve the computational performance and the analysis of transformer impedance effects on the ADNC responses. The evaluation of probability density function, eigenvalue analysis and parameter sensitivity analysis for the model parameters are also presented. Typical model parameters for different network topologies and configurations are identified. Finally, the developed equivalent model is used for a large power system application. The accuracy and robustness of the developed equivalent model are demonstrated under small and large disturbance studies for various types of fault and different fault locations.
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Houbbadi, Adnane. "Optimisation multicritère de la gestion de la recharge d'une flotte de bus électriques." Thesis, Lyon, 2020. http://www.theses.fr/2020LYSE1014.
Full textAbstract:
La mobilité électrique augmente de manière significative dans les transports en commun et continue de faire face à des défis importants. Les flottes de bus électriques nécessitent des performances élevées et une longévité maximale des batteries dans des conditions de température et de fonctionnement très variables. D'autre part, les exploitants de flottes de bus sont soucieux de réduire les coûts d'exploitation et de maintenance. Ces coûts sont sensibles au coût de vieillissement de la batterie qui représente une donnée économique importante pour le déploiement de flottes de bus électriques. Ces travaux de thèse présentent une approche méthodologique pour l’optimisation de la recharge d’une flotte de bus électriques au dépôt. Cette approche est basée à la fois sur la planification de la recharge et sur la modulation de la puissance afin de minimiser un critère donné ou plusieurs critères en même temps (ex : le coût de la recharge, la puissance efficace, le vieillissement des batteries…). Cette approche utilise des méthodes d’optimisation exactes ou des métaheuristiques selon le type d’optimisation (mono-objectif ou multiobjectif) et selon le critère tout en tenant compte des contraintes liées aux conditions d'exploitation du bus, aux infrastructures de recharge ainsi qu’au réseau électrique. Un développement d’un modèle électrothermique et de vieillissement des batteries lithium-ion a été réalisé en s’appuyant sur des modèles existants, des études bibliographiques ainsi que des essais expérimentaux. Un modèle « multi- mécanisme de vieillissement » basée sur la loi d’Eyring a été développé et permet de prendre en compte plusieurs phénomène de vieillissement pour des batteries de type LFP. Ce modèle peut s’adapter à différentes technologies de batterie. Afin d’illustrer notre méthodologie d’optimisation mise en oeuvre, un cas d’étude a été présentée dans le dernier chapitre et permet de montrer les possibilités de recharge intelligente d’une flotte de bus électriques offerte par l’outil développé qui permet en particulier de minimiser le vieillissement de la batterieElectro-mobility is increasing significantly in the urban public transport and continues to face important challenges. Electric bus fleets require high performance and extended longevity of lithium-ion battery in highly variable temperature and operating conditions. On the other hand, bus operators are more and more concerned in reducing operation and maintenance cost, which is sensitive to battery aging cost and represents a significant economic parameter for the deployment of electric bus fleets. This thesis presents a methodological approach for optimizing the overnight charging of an electric bus fleet to the depot. This approach is based on both charging scheduling and power modulation in order to minimize a given criterion or several criteria at the same time (e.g. the charging cost, the effective power, battery aging ...). This approach uses an exact optimization methods or Metaheuristics methods according to the type of optimization (mono-objective or multi- objective) and according to the criterion while taking into account the constraints related to bus operating conditions, charging infrastructure and the power grid. This approach has been developed to take into account several battery’s technologies as well as different types of recharging. An electro-thermal and aging model of lithium-ion batteries was developed based on existing models, literature as well as experimental tests. This allowed us to take into account the dynamics of the battery and predict the evolution of its performance when it is subject to variable conditions of use. To illustrate this methodology, a case study was presented in the last chapter and allows a smart managing of large-scale fleet of electric buses that try to maximize in particular the battery lifetime
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Nasri, Imed. "Développement d'une méthodologie d'ordonnancement/optimisation adaptée aux systèmes industriels de type HVLV (High-Variety, Low-Volume)." Phd thesis, Université de Grenoble, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00831002.
Full textAbstract:
Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception d'une méthodologie d'ordonnancement/optimisation pour les systèmes de production à grande variété de produits et faible densité de flux appelés systèmes HVLV (High-Variety, LowVolume). Les caractéristiques de ces systèmes nous permettent d'appréhender la représentation des flux y circulant par un modèle discret. Le comportement discontinu des systèmes HVLV peut être caractérisé par la connaissance des dates de début et de fin des activités de production. L'algèbre (max, +) est utilisée pour représenter ce type de systèmes où les relations entre les dates de début des activités nécessitent l'utilisation des opérateurs maximum et addition. Afin d'utiliser l'algèbre (max, +) pour l'ordonnancement des systèmes HVLV, il est indispensable de résoudre un problème de conflit et d'optimisation sous contraintes dans cette algèbre. D'abord, nous avons développé dans ces travaux de recherche un modèle d'ordonnancement (max, +) pour les systèmes HVLV dans lequel des variables de décision ont été introduites afin de résoudre le problème de conflit entre les opérations exécutées sur les machines. Ensuite, nous avons amélioré le modèle proposé pour tenir compte de la maintenance préventive. Deux types de maintenance ont été considérés : Maintenance Périodique Répétitive (MPR) et Maintenance Flexible Périodique (MFP). Dans les deux cas, un problème d'ordonnancement non-linéaire sous contraintes a été résolu afin de minimiser certains critères de performance. Enfin, la méthodologie proposée a été validée par simulation, sur des systèmes HVLV complexes de type job-shop.
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Hochart, Antoine. "Nonlinear Perron-Frobenius theory and mean-payoff zero-sum stochastic games." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLX079/document.
Full textAbstract:
Les jeux stochastiques à somme nulle possèdent une structure récursive qui s'exprime dans leur opérateur de programmation dynamique, appelé opérateur de Shapley. Ce dernier permet d'étudier le comportement asymptotique de la moyenne des paiements par unité de temps. En particulier, le paiement moyen existe et ne dépend pas de l'état initial si l'équation ergodique - une équation non-linéaire aux valeurs propres faisant intervenir l'opérateur de Shapley - admet une solution. Comprendre sous quelles conditions cette équation admet une solution est un problème central de la théorie de Perron-Frobenius non-linéaire, et constitue le principal thème d'étude de cette thèse. Diverses classes connues d'opérateur de Shapley peuvent être caractérisées par des propriétés basées entièrement sur la relation d'ordre ou la structure métrique de l'espace. Nous étendons tout d'abord cette caractérisation aux opérateurs de Shapley "sans paiements", qui proviennent de jeux sans paiements instantanés. Pour cela, nous établissons une expression sous forme minimax des fonctions homogènes de degré un et non-expansives par rapport à une norme faible de Minkowski. Nous nous intéressons ensuite au problème de savoir si l'équation ergodique a une solution pour toute perturbation additive des paiements, problème qui étend la notion d'ergodicité des chaînes de Markov. Quand les paiements sont bornés, cette propriété d'"ergodicité" est caractérisée par l'unicité, à une constante additive près, du point fixe d'un opérateur de Shapley sans paiement. Nous donnons une solution combinatoire s'exprimant au moyen d'hypergraphes à ce problème, ainsi qu'à des problèmes voisins d'existence de points fixes. Puis, nous en déduisons des résultats de complexité. En utilisant la théorie des opérateurs accrétifs, nous généralisons ensuite la condition d'hypergraphes à tous types d'opérateurs de Shapley, y compris ceux provenant de jeux dont les paiements ne sont pas bornés. Dans un troisième temps, nous considérons le problème de l'unicité, à une constante additive près, du vecteur propre. Nous montrons d'abord que l'unicité a lieu pour une perturbation générique des paiements. Puis, dans le cadre des jeux à information parfaite avec un nombre fini d'actions, nous précisons la nature géométrique de l'ensemble des perturbations où se produit l'unicité. Nous en déduisons un schéma de perturbations qui permet de résoudre les instances dégénérées pour l'itération sur les politiquesZero-sum stochastic games have a recursive structure encompassed in their dynamic programming operator, so-called Shapley operator. The latter is a useful tool to study the asymptotic behavior of the average payoff per time unit. Particularly, the mean payoff exists and is independent of the initial state as soon as the ergodic equation - a nonlinear eigenvalue equation involving the Shapley operator - has a solution. The solvability of the latter equation in finite dimension is a central question in nonlinear Perron-Frobenius theory, and the main focus of the present thesis. Several known classes of Shapley operators can be characterized by properties based entirely on the order structure or the metric structure of the space. We first extend this characterization to "payment-free" Shapley operators, that is, operators arising from games without stage payments. This is derived from a general minimax formula for functions homogeneous of degree one and nonexpansive with respect to a given weak Minkowski norm. Next, we address the problem of the solvability of the ergodic equation for all additive perturbations of the payment function. This problem extends the notion of ergodicity for finite Markov chains. With bounded payment function, this "ergodicity" property is characterized by the uniqueness, up to the addition by a constant, of the fixed point of a payment-free Shapley operator. We give a combinatorial solution in terms of hypergraphs to this problem, as well as other related problems of fixed-point existence, and we infer complexity results. Then, we use the theory of accretive operators to generalize the hypergraph condition to all Shapley operators, including ones for which the payment function is not bounded. Finally, we consider the problem of uniqueness, up to the addition by a constant, of the nonlinear eigenvector. We first show that uniqueness holds for a generic additive perturbation of the payments. Then, in the framework of perfect information and finite action spaces, we provide an additional geometric description of the perturbations for which uniqueness occurs. As an application, we obtain a perturbation scheme allowing one to solve degenerate instances of stochastic games by policy iteration
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Spratt, Belinda G. "Reactive operating theatre scheduling." Thesis, Queensland University of Technology, 2018. https://eprints.qut.edu.au/116885/1/Belinda_Spratt_Thesis.pdf.
Full textAbstract:
This project considers the planning and scheduling of an operating theatre at a large Australian public hospital, with the aim of reducing the length of elective surgery waiting lists. Operating theatre planning and scheduling is performed using an integrated approach, where specialties, surgeons, and patients are scheduled simultaneously. Hyper and hybrid metaheuristic techniques are presented, as the case study instances are too difficult for commercial solvers. Results indicate that these methods can be implemented in real-life to improve surgical departments at public hospitals by reducing surgical overtime, increasing patient throughput, and increasing operating theatre utilisation.
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Houacine, Mohamed. "Optimisation de trajectoires pour la réduction du bruit et de la consommation de carburant des avions commerciaux durant les phases d’approche et de décollage." Thesis, Lyon 1, 2012. http://www.theses.fr/2012LYO10031.
Full textAbstract:
Les bruits et les polluants atmosphériques émis par les avions commerciaux représentent un défi environnemental important, un problème de santé publique et une contrainte économique pour le développement durable du transport aérien. D'un autre côté, le développement économique des régions est intimement lié au secteur du transport aérien. Ce dernier agit comme un multi-capteur économique pour supporter le développement régional et desservir les grands centres. Cette réalité s'explique entre autres par le fait que la mondialisation des marchés impose l'utilisation de moyens rapides et compétitifs pour le transport des voyageurs et des marchandises. Notre approche est une modélisation mathématique du problème de choix des trajectoires de vol dans un domaine continu. La première étape dans la modélisation d'un tel problème est l'écriture des équations qui traduisent la dynamique de vol de l'avion. Ensuite, vient la modélisation est la synthèse des critères d'optimisation. Les critères qu'on a retenus dans notre travail sont la consommation de carburant (critère d'énergie) et le bruit perçu au sol (critère de la gêne occasionnée pour les riverains). En combinant les deux parties "modèle de la dynamique du vol" et "critères d'optimisation", et en intégrant d'autres contraintes liées à la sécurité du vol, on aboutit à un modèle mathématique qui appartient à la classe des problèmes non linéaires de contrôle optimal. C'est une classe difficile de problèmes d'optimisation qui pose un certain nombre de difficultés lors de la construction d'algorithmes de résolution. Pour résoudre le problème ainsi posé, deux approches distinctes peuvent être envisagées : méthodes directes et méthodes indirectes. Nous avons implémenté une méthode dite " pseudo spectrale de Gauss " pour la résolution du problème de contrôle. Le choix de cette méthode est basé sur une propriété très importante et qui garantit l'équivalence entre l'application des deux schémas : direct et indirects. Des résultats sont présentés et discutés. Nos résultats donnent des pistes sur de nouvelles procédures de vol qui minimisent le bruit et la consommation de carburant durant les phases d'atterrissage et de décollage. Par ailleurs, la résolution numérique consolide également le potentiel des approches CDA recommandées par l'OACI. Une comparaison aux procédures standards et une analyse de sensibilité aux critères est présentéeNoise and air pollution from commercial aircraft represent a significant environmental challenge, a public health problem and an economic constraint to the sustainable development of air transport. On the other hand, the economical development of the regions is closely linked to the airline industry. This fact is partly explained by the the globalization of markets that requires the use of fast and competitive means to transport people and goods. We propose a mathematical model to tackle this problem by optimizing flight paths in order to minimize noise emission and fuel consumption. The first step is to express the dynamics of flight of the aircraft. Then comes the synthesis of optimization criteria. The criteria we used in our work are the fuel consumption (criterion of energy) and the perceived noise levels at the ground (criterion of inconvenience for local residents). By combining the two previous parts, and incorporating other constraints related to flight safety, we obtain a mathematical model that belongs to a class of nonlinear optimal control problems. It is a difficult class of optimization problems that raises several difficulties during the construction of solving algorithms. Two different ways can be considered to solve this problem : direct methods and indirect methods. We have developed and implemented a direct method called "Gauss Pseudo-spectral Method" to solve the optimal control problem that we obtained. The choice of this method is based on a very important property that guarantees the equivalence between the use of two schemes : direct and indirect. Results are presented and discussed. Our results provide a new view on flight procedures that minimize noise and fuel consumption during landings and takeoffs. Moreover, the numerical solution also consolidates the potential of CDA approaches which are recommended by ICAO. A comparison with standard procedures and a sensitivity analysis are presented