A Zermelo navigation problem with a vortex singularity

Helhmoltz-Kirchhoff equations of motions of vortices of an incompressible fluid in the plane define a dynamics with singularities and this leads to a Zermelo navigation problem describing the ship travel in such a field where the control is the heading angle. Considering one vortex, we define a time minimization problem which can be analyzed with the technics of geometric optimal control combined with numerical simulations, the geometric frame being the extension of Randers metrics in the punctured plane, with rotational symmetry. Candidates as minimizers are parameterized thanks to the Pontryagin Maximum Principle as extremal solutions of a Hamiltonian vector field. We analyze the time minimal solution to transfer the ship between two points where during the transfer the ship can be either in a strong current region in the vicinity of the vortex or in a weak current region. The analysis is based on a micro-local classification of the extremals using mainly the integrability properties of the dynamics due to the rotational symmetry. The discussion is complex and related to the existence of an isolated extremal (Reeb) circle due to the vortex singularity. The explicit computation of cut points where the extremal curves cease to be optimal is given and the spheres are described in the case where at the initial point the current is weak

Geometric Numerical Methods and Results in the Control Imaging Problem in Nuclear Magnetic Resonance

The purpose of this paper is to present numerical methods and results about the contrast imaging problem in nuclear magnetic resonance which corresponds to a Mayer problem in optimal control. The candidates as minimizers are selected among a set of extremals, solutions of a Hamiltonian system given by the Pontryagin Maximum Principle and sufficient second order conditions are described. They form the geometric foundations of the HAMPATH code which combines shooting and continuation methods, see Ref. 9. The main contribution of this paper is to present a numerical analysis of the contrast imaging problem in NMR in the case of deoxygenated/oxygenated blood samples as an application of the aforementioned techniques

Homotopic approach for turnpike and singularly perturbed optimal control problems

The first aim of this article is to present the link between the turnpike property and the singular perturbations theory: the first one being a particular case of the second one. Then, thanks to this link, we set up a new framework based on continuation methods for the resolution of singularly perturbed optimal control problems. We consider first the turnpike case, then, we generalize the approach to general control problems with singular perturbations (that is with fast but also slow variables). We illustrate each step with an example

Contrôle optimal géométrique (méthodes homotopiques et applications)

Le contexte de ce travail est le contrôle optimal géométrique appliqué à la mécanique céleste et au contrôle quantique. On s est tout d abord intéressé au problème de transfert orbital de satellite autour de la Terre à consommation minimale,qui amena à la réalisation du code HamPath, permettant tout d abord la résolution de problème de contrôle optimal dont la loi de commande est lisse. Il se base sur le Principe du Maximum de Pontryagin (PMP) et sur la notion de point conjugué. Ce programme combine méthode de tir, méthodes homotopiques différentielles et calcul des conditions d optimalité du deuxième ordre. Nous nous intéressons par la suite au contrôle quantique. On étudie tout d abord le contrôle d un système composé de deux types de particules de spin 1/2 ayant des temps de relaxation différents et dont la dynamique est gouvernée par les équations de Bloch. Ces deux sous-systèmes,correspondant aux deux types de particules, sont couplés par un même contrôle (un champ electromagnétique), le but étant alors d amener la magnétisation des particules du premier type à zéro tout en maximisant celle du second (dans un système de coordonnées bien choisi). Ce modèle intervient en imagerie médicale par Résonance Magnétique Nucléaire et consiste à maximiser le contraste entre deux régions d une même image. L utilisation des outils géométriques et numériques aura permis de donner une très bonne synthèse sous-optimale pour deux cas particuliers (mélange sang oxygéné/désoxygéné et liquide cérébrospinal/eau). La dernière contribution de cette thèse porte sur l étude d un système quantique à deux niveaux d énergie dontl a dynamique est régie par les équations de Lindblad. Le modèle est basé sur la minimisation d énergie du transfert. On se restreint à un cas particulier pour lequelle Hamiltonien donné par le PMP est Liouville intégrable. On décrit alors les lieux conjugués et de coupure pour ce problème riemannien avec dériveThis work is about geometric optimal control applied to celestial and quantum mechanics. We first dealt with the minimum fuel consumption problem of transfering a satellite around the Earth. This brought to the creation of the code HamPath which permits first of all to solve optimal control problem for which the command law is smooth. It is based on the Pontryagin Maximum Principle (PMP) and on the notion of conjugate point. This program combines shooting method, differential homotopic methods and tools to compute second order optimality conditions. Then we are interested in quantum control. We study first a system which consists in two different particles of spin 1/2 having two different relaxation time. Both sub-systems are driven by the same control. The problem consists in bringing to zero the magnetization of one of the two system while maximizing the magnetization of the second one. This problem comes from constrast imaging in Nuclear Magnetic Resonance and consists in maximising the contrast between two areas of the image. The use of geometrical and numerical tools has given a very precise sub-optimal synthesis for two particular cases (deoxygenated/oxygenated blood and cerebrospinal fluid/water cases). The last contribution of this thesis is about the Lindblad equations in the two-level case. The model is based upon the minimisation of the transfer energy. We restrict the study to a particular case for which the Hamiltonian given by the PMP is Liouville integrable.We describe the conjugate and cut loci for this Riemannian with drift problemDIJON-BU Doc.électronique (212319901) / SudocSudocFranceF

Geometric optimal control : homotopic methods and applications

Le contexte de ce travail est le contrôle optimal géométrique appliqué à la mécanique céleste et au contrôle quantique. On s’est tout d’abord intéressé au problème de transfert orbital de satellite autour de la Terre à consommation minimale,qui amena à la réalisation du code HamPath, permettant tout d’abord la résolution de problème de contrôle optimal dont la loi de commande est lisse. Il se base sur le Principe du Maximum de Pontryagin (PMP) et sur la notion de point conjugué. Ce programme combine méthode de tir, méthodes homotopiques différentielles et calcul des conditions d’optimalité du deuxième ordre. Nous nous intéressons par la suite au contrôle quantique. On étudie tout d’abord le contrôle d’un système composé de deux types de particules de spin 1/2 ayant des temps de relaxation différents et dont la dynamique est gouvernée par les équations de Bloch. Ces deux sous-systèmes,correspondant aux deux types de particules, sont couplés par un même contrôle (un champ electromagnétique), le but étant alors d’amener la magnétisation des particules du premier type à zéro tout en maximisant celle du second (dans un système de coordonnées bien choisi). Ce modèle intervient en imagerie médicale par Résonance Magnétique Nucléaire et consiste à maximiser le contraste entre deux régions d’une même image. L’utilisation des outils géométriques et numériques aura permis de donner une très bonne synthèse sous-optimale pour deux cas particuliers (mélange sang oxygéné/désoxygéné et liquide cérébrospinal/eau). La dernière contribution de cette thèse porte sur l’étude d’un système quantique à deux niveaux d’énergie dontl a dynamique est régie par les équations de Lindblad. Le modèle est basé sur la minimisation d’énergie du transfert. On se restreint à un cas particulier pour lequelle Hamiltonien donné par le PMP est Liouville intégrable. On décrit alors les lieux conjugués et de coupure pour ce problème riemannien avec dériveThis work is about geometric optimal control applied to celestial and quantum mechanics. We first dealt with the minimum fuel consumption problem of transfering a satellite around the Earth. This brought to the creation of the code HamPath which permits first of all to solve optimal control problem for which the command law is smooth. It is based on the Pontryagin Maximum Principle (PMP) and on the notion of conjugate point. This program combines shooting method, differential homotopic methods and tools to compute second order optimality conditions. Then we are interested in quantum control. We study first a system which consists in two different particles of spin 1/2 having two different relaxation time. Both sub-systems are driven by the same control. The problem consists in bringing to zero the magnetization of one of the two system while maximizing the magnetization of the second one. This problem comes from constrast imaging in Nuclear Magnetic Resonance and consists in maximising the contrast between two areas of the image. The use of geometrical and numerical tools has given a very precise sub-optimal synthesis for two particular cases (deoxygenated/oxygenated blood and cerebrospinal fluid/water cases). The last contribution of this thesis is about the Lindblad equations in the two-level case. The model is based upon the minimisation of the transfer energy. We restrict the study to a particular case for which the Hamiltonian given by the PMP is Liouville integrable.We describe the conjugate and cut loci for this Riemannian with drift proble

HAMPATH : Suivi de chemin différentiel et conditions du second ordre en contrôle optimal (Congrès SMAI 2017)

International audienceLe code HamPath [7] est un logiciel open-source développé depuis 2009 et destiné à la résolution de problèmes de contrôle optimal

Contrôle optimal géométrique : méthodes homotopiques et applications

This work is about geometric optimal control applied to celestial and quantum mechanics. We first dealt with the minimum fuel consumption problem of transfering a satellite around the Earth. This brought to the creation of the code HamPath which permits first of all to solve optimal control problem for which the command law is smooth. It is based on the Pontryagin Maximum Principle (PMP) and on the notion of conjugate point. This program combines shooting method, differential homotopic methods and tools to compute second order optimality conditions. Then we are interested in quantum control. We study first a system which consists in two different particles of spin 1/2 having two different relaxation time. Both sub-systems are driven by the same control. The problem consists in bringing to zero the magnetization of one of the two system while maximizing the magnetization of the second one. This problem comes from constrast imaging in Nuclear Magnetic Resonance and consists in maximising the contrast between two areas of the image. The use of geometrical and numerical tools has given a very precise sub-optimal synthesis for two particular cases (deoxygenated/oxygenated blood and cerebrospinal fluid/water cases). The last contribution of this thesis is about the Lindblad equations in the two-level case. The model is based upon the minimisation of the transfer energy. We restrict the study to a particular case for which the Hamiltonian given by the PMP is Liouville integrable.We describe the conjugate and cut loci for this Riemannian with drift problemLe contexte de ce travail est le contrôle optimal géométrique appliqué à la mécanique céleste et au contrôle quantique. On s’est tout d’abord intéressé au problème de transfert orbital de satellite autour de la Terre à consommation minimale,qui amena à la réalisation du code HamPath, permettant tout d’abord la résolution de problème de contrôle optimal dont la loi de commande est lisse. Il se base sur le Principe du Maximum de Pontryagin (PMP) et sur la notion de point conjugué. Ce programme combine méthode de tir, méthodes homotopiques différentielles et calcul des conditions d’optimalité du deuxième ordre. Nous nous intéressons par la suite au contrôle quantique. On étudie tout d’abord le contrôle d’un système composé de deux types de particules de spin 1/2 ayant des temps de relaxation différents et dont la dynamique est gouvernée par les équations de Bloch. Ces deux sous-systèmes,correspondant aux deux types de particules, sont couplés par un même contrôle (un champ electromagnétique), le but étant alors d’amener la magnétisation des particules du premier type à zéro tout en maximisant celle du second (dans un système de coordonnées bien choisi). Ce modèle intervient en imagerie médicale par Résonance Magnétique Nucléaire et consiste à maximiser le contraste entre deux régions d’une même image. L’utilisation des outils géométriques et numériques aura permis de donner une très bonne synthèse sous-optimale pour deux cas particuliers (mélange sang oxygéné/désoxygéné et liquide cérébrospinal/eau). La dernière contribution de cette thèse porte sur l’étude d’un système quantique à deux niveaux d’énergie dontl a dynamique est régie par les équations de Lindblad. Le modèle est basé sur la minimisation d’énergie du transfert. On se restreint à un cas particulier pour lequelle Hamiltonien donné par le PMP est Liouville intégrable. On décrit alors les lieux conjugués et de coupure pour ce problème riemannien avec dériv

About prior saturation points for affine control systems (Journées MODE 2018, Autrans)

International audienceWe consider minimal time control problems governed by an affine system w.r.t. the control. Our aim is to study properties of the optimalsynthesis in presence of a singular locus that involves a saturation point for the singular control. We show that the optimal synthesis exhibits a prior saturation point at the intersection of the singular arc and a switching curve,and we also discuss qualitative properties of this curve. We high light this phenomenon on several models arising in nuclear magnetic resonance andin bioprocesses

About the prior-saturation phenomenon for minimal time problems in the plane

We consider minimal time problems governed by control-affine-systems in the plane. We focus on the synthesis problem in presence of a singular locus that involves a saturation point for the singular control. We show that the minimum time synthesis can exhibit a prior-saturation point at the intersection of the singular locus and a switching curve. We also provide a set of non-linear equations to compute the prior-saturation point, and, at this point, we show a tangency property involving the switching curve

Tangency property and prior-saturation points in planar minimal time problems

International audienceIn this paper, we address properties of the minimal time synthesis for control-affine-systems in the plane involving a saturation point for the singular control. First, we provide sufficient conditions on the data ensuring occurence of a prior-saturation point. Then, we show that the bridge (i.e., the optimal bang arc issued from the singular locus at this point) is tangent to the switching curve at the prior-saturation point. We illustrate these results on a fed-batch model in bioprocesses