Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon – Université Claude Bernard Lyon 1 Laboratoire Ampère

Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005

Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale et Applications

Modular Analysis and Control of Interconnected Systems of Conservation Laws: Electric, Hydraulic and Pneumatic Distribution

Networks ("AnCoMoR") Laboratory: Ampère, UMR CNRS 5005 Main Scientific Domain: Control Systems Secondary Scientific Domains: Applied mathematics, energy distribution networks Keywords: Control and Observation of infinite-dimensional systems, interconnected systems, networked systems, conservation laws, hyperbolic PDEs, distribution networks. Candidate profile: Control Systems, Applied Mathematics, some electrical/mechanical engineering knowledge is desirable. Subject description: Networks of balance laws are defined by the interconnection (mainly through boundary conditions) of subsystems individually characterized by the conservation of certain quantities (mass/charge/etc.). These systems are often encountered when modeling distribution networks (for energy, water, fuel, etc.). As these systems adopt more complicated topologies and decentralized structures (aiming to increase the resilience of the network with respect to localized failures), new challenges are introduced. In this PhD, the candidate will study some of the problems linked to the large-scale interconnection of infinite-dimensional (distributed parameter) systems. Two motivating examples are the control of high-voltage direct current (HVDC) networks and the problem of leak detection and localization in pipelines.

Marshelec

[CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)] Richard Webb

[CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)] Objectives The general objective of this PhD is the development of modular tools and methods for the study of networks of conservation laws. Guided by recent developments in the domain of control systems concerning both infinite-dimensional systems and networked systems, we propose to address the following points:

• Modeling: generic elementary modules (components) for the network (electric/hydraulic/pneumatic); interconnection conditions between modules (active or passive); generic network formulation (components, inputs/outputs and interconnections).

• Analysis: stability, controllability (stabilizability) and observability (detectability) conditions under actuation/sensing/communication constraints (local or global control/information), definition of performance criteria.

• Synthesis and Optimization: Estimation and control laws under actuation/sensing/information constraints and optimization of performance criteria.

One of the main originalities of this work consists on taking into account the infinite-dimensional dynamics of the distribution lines, which is particularly important when studying transient regimes. Using reduced-order models (e.g., quasi-static models or fixed-frequency models) can force the adoption of a certain level of conservatism in order to avoid problems linked to unmodeled dynamics. This conservatism is, in general, not well characterized. Another important point is the modularity of the tools developed (in order to maximize the domain of application) and accounting for computational constraints (both real-time and offline).

Challenges First, succeeding to identify a reduced number of elementary components to represent distribution networks. These networks are of different natures and, therefore, it is important to define interconnection conditions representative of each domain of application. Next, leveraging the modular nature of the system to develop efficient simulation, analysis and synthesis tools. The definition of performance criteria poses also some difficulties: How to define the overall performance of the system? What is the link between local and global (overall) performance? What impact does the communication structure have on the criteria that can be optimized? Finally, what impact do the topology of the network, the communication constraints and actuator/sensor distribution have on the achievable performances? Expected contributions The contributions expected from the candidate start with the formalization (by the interconnection of elementary modules) of a sufficiently general network structure of conservation laws; this structure will allow the representation of electric, hydraulic and pneumatic distribution systems. Next, the characterization of controllability/observability of the network and the definition of performance criteria (as well as the system limits imposed by the elementary components and its structure). This modular approach should allow the study (in a generic manner) of distribution networks in different application domains or multi-energy networks. Possible collaborations Instituto de Ingeniería (UNAM, Mexico), CAS (MINES ParisTech, Paris)

Proposed research program: This PhD will begin by an in-depth literature review of infinite-dimensional systems, in general, and systems of conservation laws, in particular; as well as interconnection models stemming from the considered applicative domains. Next, a review of specific issues related to networked systems (mostly in the finite-dimensional case) and their representations will be carried out. Once the literature review is finished, the original work of the candidate can begin by the formalization of a modular representation of these networks of conservation laws, defining the required elementary modules and interconnections (as suitably defined operators), as well as the definition of stability, observability and controllability properties that will be required in the next stages. Finally, the work will cover the definition of performance criteria, as well as the development of control and estimation tools for these systems satisfying (or optimizing) some of these performance criteria.

Contact: For any questions, or to apply, please contact:

BRIBIESCA ARGOMEDO, Federico – federico.bribiesca@insa-lyon.fr For applications only, please send a copy to:

EBERARD, Damien – damien.eberard@insa-lyon.fr MARQUIS-FAVRE, Wilfrid – wilfrid.marquis-favre@insa-lyon.fr

NOTE: All applicants must send a short cover letter (no longer than 2 pages), an updated CV including contact information for some relevant references (Master’s thesis advisors, etc.) and a copy of one relevant publication (if any).

Some references: [1] S. Bolognani and S. Zampieri, A distributed control strategy for reactive power compensation in smart

microgrids, IEEE Trans. Automatic Control, vol. 58(11), pp. 2818-2833, 2013. [2] T. T. Li, Controllability and Observability for Quasilinear Hyperbolic Systems. Beijing, China: Higher Education

Press, 2009, vol. 3. [3] F. Di Meglio, R. Vazquez, M. Krstic, Stabilization of a System of n+1 Coupled First-Order Hyperbolic Linear

PDEs With a Single Boundary Input, IEEE Trans. Automatic Control, vol. 58(12), pp. 3097-3111, 2013. [4] P. Magne, B. Nahid-Mobarakeh, S. Pierfederici, A general active stabilizer for a multi-loads DC-power

network, IEEE Industry Applications Society Annual Meeting (IAS), vol. 1(8), pp. 9-13, Oct. 2011. [5] Y. Cao, W. Yu, W. Ren and G. Chen, An overview of recent progress in the study of distributed multi-agent

coordination, IEEE Trans. Industrial Informatics, vol. 9(1), pp. 427-438, 2013.

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Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005

Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale et Applications

AnCoMoR : Analyse et Commande Modulaires de Réseaux de lois de conservation en dimension infinie :

Réseaux Électriques, Hydrauliques et Pneumatiques Laboratoire : Ampère, UMR CNRS 5005 Domaine scientifique principal : Automatique Domaine scientifique secondaire : Automatique Continue, Transport pour le domaine Énergie, Mathématiques Appliquées Mots clés : Contrôle de systèmes en dimension infinie, systèmes interconnectés, systèmes en réseau, lois de conservation, réseaux de distribution. Directeurs de thèse et comité d’encadrement Directeur de thèse

MARQUIS-FAVRE Wilfrid - wilfrid.marquis-favre@insa-lyon.fr Comité d’encadrement

BRIBIESCA ARGOMEDO Federico – federico.bribiesca@insa-lyon.fr EBERARD Damien - damien.eberard@insa-lyon.fr

Contexte Scientifique Les réseaux des lois de conservation sont définis par l’interconnexion (via les conditions aux bords) de sous-systèmes individuellement caractérisés par la conservation de certaines quantités (masse/charge/etc.). Cette thèse a pour objectif le développement d’outils modulaires pour l’analyse et la synthèse de lois de commande applicables à ces réseaux malgré différentes topologies et différents choix des sous-systèmes élémentaires (électriques, hydrauliques ou pneumatiques). Objectif de la thèse, verrous scientifiques et contribution originale attendue Les réseaux de lois de conservation sont un motif récurrent dans la modélisation des systèmes de distribution (d’énergie, d’eau, de combustible, etc.). L’évolution de ces systèmes, vers des topologies plus complexes et structures plus décentralisées, visant à augmenter la résilience du réseau vis-à-vis des défauts localisés pose des nouveaux défis liés à l’étude des interconnexions à grande échelle des systèmes de dimension infinie (i.e. à paramètres repartis). Deux exemples concrets motivant ces développements sont les réseaux de lignes HVDC pour leur contrôle et performances (ITE Supergrid) et les problématiques de détection et localisation de fuites dans les oléoducs qui ouvre une potentielle collaboration avec l’UNAM au Mexique. Objectifs de la thèse L’objectif général de cette thèse est le développement de méthodes et outils modulaires pour l’étude des réseaux de lois de conservation. Guidés par des développements récents dans le domaine de l’automatique concernant des systèmes en dimension infinie mais également des systèmes en réseaux, nous proposons de réaliser une démarche adressant les points suivants :

Modélisation : composants (modules) élémentaires génériques des réseaux (électriques/ hydrauliques/pneumatiques) ; conditions d’interconnexion entre modules (actifs ou pas) ; formulation générique des réseaux (composants, entrées/sorties et interconnexions).

Analyse : propriétés de stabilité, contrôlabilité (stabilisabilité) et observabilité (détectabilité) sous contraintes de action/communication (contrôle/information locale ou globale), performances (définition de critères).

Synthèse et Optimisation : Lois de commande et/ou observation sous contraintes de action/communication et optimisation de critères de performance.

Une des principales originalités de ce travail consiste à prendre en compte les dynamiques de dimension infinie des lignes de distribution. Ceci est particulièrement intéressant dans l’étude des régimes transitoires

AnCoMoR

où l’utilisation de modèles d’ordre réduit (par exemple de modèles quasi-statiques ou à une fréquence fixe) force l’adoption d’un certain niveau de conservatisme (mal caractérisé) sur la synthèse de commande pour éviter des problèmes liés aux dynamiques non modélisées. Un point important reste la modularité des outils développés (pour maximiser le champ applicatif) et la prise en compte de contraintes de calcul (temps-réel et hors-ligne). Verrous scientifiques Différents verrous scientifiques peuvent être identifiés pour l’accomplissement des objectifs de ce doctorat. D’abord, dans l’identification d’un nombre réduit de composants élémentaires qui permettront de modéliser des réseaux de distribution de nature différente et la définition de conditions d’interconnexion propres à chaque domaine. Ensuite, l’utilisation de la nature modulaire du système pour développer des outils efficaces de simulation, analyse et synthèse. La définition de critères de performance pose aussi des verrous scientifiques : comment définir la performance globale du réseau ? Quelle est la relation entre les performances locales et globales ? Quel est l’impact de la structure de communication sur les critères qui peuvent être optimisés lors de la synthèse de lois de commande/estimation ? Finalement, quel impact a la topologie du réseau, les contraintes de communication et la distribution des capteurs et variables commandées sur les performances qui peuvent être obtenues. Contributions attendues Les contributions attendues commencent par la formalisation via l’interconnexion de modules élémentaires d’une structure générale de réseau de lois de conservation qui permettront la représentation de systèmes de distribution (électrique, hydraulique et pneumatique). Ensuite, la caractérisation des propriétés de contrôlabilité/observabilité du réseau et la définition de critères de performance (ainsi que des limites du système imposées par les composants et la structure du réseau). Cette approche modulaire devrait permettre d’étudier de façon générique des réseaux de distribution dans des domaines différents d’application et même des réseaux multi-énergies. Programme de recherche et démarche scientifique proposée La thèse commencera par une étude bibliographique approfondie sur les systèmes de lois de conservation et les systèmes en dimension infinie ainsi que sur les modèles d’interconnexion propres aux domaines considérés. Ensuite, une étude portant sur les problématiques spécifiques aux systèmes en réseau (dans le cas des systèmes à paramètres localisés) et ses représentations sera effectuée. Une fois l’étude bibliographique finie, le travail original du doctorat pourra débuter par la formalisation d’une représentation modulaire des réseaux de lois de conservation en définissant les modules et interconnexions élémentaires (comme des opérateurs convenablement définis), ainsi que la définition des propriétés de stabilité, contrôlabilité et stabilité qui seront nécessaires par la suite. Finalement, le travail abordera la définition de critères de performance et le développement des outils pour la commande et/ou l’estimation de ces systèmes basés sur ces critères. Profil du candidat recherché (prérequis) : Automatique continue, Mathématiques appliquées, quelques connaissances en Génie Electrique / Mécanique souhaitées. Compétences développées au cours de la thèse et perspective professionnelle Le candidat développera des compétences de modélisation mathématique, commande et observation des systèmes à paramètres répartis et systèmes en réseau. Du côté applicatif, il développera des compétences de simulation numérique, ainsi que de modélisation, commande et estimation de réseaux de distribution électrique, hydrauliques et pneumatiques. Les perspectives professionnelles son multiples, vu le large spectre d’application tant industriel qu’académique. Bibliographie sur le sujet de thèse [1] S. Bolognani and S. Zampieri, A distributed control strategy for reactive power compensation in smart microgrids, IEEE Trans. Automatic Control, vol. 58(11), pp. 2818-2833, 2013. [2] Y. Cao, W. Yu, W. Ren and G. Chen, An overview of recent progress in the study of distributed multi-agent coordination, IEEE Trans. Industrial Informatics, vol. 9(1), pp. 427-438, 2013. [3] T. T. Li, Controllability and Observability for Quasilinear Hyperbolic Systems. Beijing, China: Higher Education Press, 2009, vol. 3. [4] F. Di Meglio, R. Vazquez, M. Krstic, Stabilization of a System of n+1 Coupled First-Order Hyperbolic Linear PDEs With a Single Boundary Input, IEEE Trans. Automatic Control, vol. 58(12), pp. 3097-3111, 2013. [5] P. Magne, B. Nahid-Mobarakeh, S. Pierfederici, A general active stabilizer for a multi-loads DC-power network, IEEE Industry Applications Society Annual Meeting (IAS), vol. 1(8), pp. 9-13, Oct. 2011.