Strat́egies de contr̂ole pour des syst̀emes industriels

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Pasteurisateur/St́erilisateur

Pasteurisateur/St́erilisateur

La pasteurisation est une technique utiliśee tr̀es fŕequemment dans le secteur agroalimentaire. L’ob-jectif est d’allonger de fa̧con significative la duŕee de conservation des aliments. La pasteurisation ŕeduit au maximum les activit́es biologiques d’un produit tout en ́evitant de modifier ses caract́eristiques or-ganoleptiques et nutritionnelles. La pasteurisation est un traitement thermique à des temṕeratures comprises entre 60◦C et 100◦C ayant pour but de d́etruire la totalit́e des micro-organismes pathog̀enes non sporuĺes et de ŕeduire significativement la flore v́eǵetative pŕesente dans un produit. C’est un pro-ćed́ de conservation limit́e pour lequel le produit doit ̂etre conditionńe herḿetiquement (avec ou sans atmosph̀ere modifíee ou sous vide) et ŕefriǵeŕ (le produit pasteuriś peut ̂etre en effet conserv́ à +4◦C de quelques jours à quelques semaines). La st́erilisation consiste, contrairement à la pasteurisation, à d́etruire la totalit́e des micro-organismes pŕesents. Elle s’effectue à des temṕeratures suṕerieures à 100◦C. Ces deux techniques d́ependent de trois param̀etres principaux qui sont :
— la duŕee : en d́eterminant exṕerimentalement la cińetique de destruction microbienne (ou courbe de survie), nous pouvons savoir quelle doit ̂etre la duŕee du traitement thermique à administrer au produit ;
— la temṕerature : la cińetique chimique ́etant d́ependante de la temṕerature, cette dernìere est un facteur qui influencera la duŕee du traitement du produit ;
— la thermoŕesistance du micro-organisme consid́eŕ : elle d́ependra du milieu et du type de produit consid́eŕe, il faut donc la prendre en compte lors de l’́elaboration de la recette pour une temṕerature et duŕee donńees.
La figure 1.5 ci dessous, montre un sch́ema de principe d’un ́echangeur thermique ŕealisant la fonction de pasteurisation et/ou de st́erilisation.
Dans le cadre d’une application industrielle, nous cherchons en ǵeńeral à satisfaire deux crit̀eres principaux pour les proćed́es de pasteurisation et/ou de st́erilisation :
— garantir une temṕerature de fluide caloporteur pour les ”utilisateurs” (pasteurisateurs, thermi-seurs, st́erilisateurs …),
— garantir une pression de fluide caloporteur afin que tous les utilisateurs puissent choisir le d́ebit souhait́e.
Les actionneurs qui sont utiliśes pour ce type de ŕegulation sont la vanne de vapeur, qui permet de ŕegler le transfert thermique entre la vapeur d’eau et le fluide caloporteur (en ǵeńeral ce fluide est tout simplement de l’eau), et un variateur de vitesse qui permet de modifier la vitesse de rotation du moteur de la pompe et donc de mâıtriser la pression. En ŕegime permanent, pour une temṕerature d’entŕee du fluide caloporteur et de d́ebit de produit donńe, et pour une ouverture de vanne fix́ee par l’oṕerateur (d́ebit du fluide caloporteur ), nous aurons une temṕerature de produit qui sera entìerement d́etermińee. En ǵeńeral cette vanne est aussi pilot́ee par un algorithme de ŕegulation. Le couple d́ebit-temṕerature permet de garantir l’́echange de chaleur ńecessaire entre le fluide caloporteur et le produit. Ce flux thermique assure la bonne tenue de l’un des param̀etres importants de la pasteurisation, à savoir la temṕerature. Ensuite, la duŕee est d́etermińee par la longueur de l’́echangeur et le d́ebit de circulation du produit. Les ph́enom̀enes de transfert thermique en jeu sont tr̀es complexes. En effet, les deux fluides ́etant śepaŕes par une paroi conductrice de chaleur il y a un ph́enom̀ene coupĺe de conduction et convection. De plus, le ŕegime de convection entre les fluides et les parois est forće ainsi l’́echange thermique d́epend enorḿement des d́ebits mis en jeu. Pour caract́eriser le ph́enom̀ene de transfert thermique par convection forćee entre un fluide et une paroi.
Une fois Nu calcuĺe par cette ḿethode, nous pouvons remonter à la valeur de h en inversant la relation de l’́equation (1.3). Cette manìere de faire est tr̀es longue et nous n’avons pas encore parĺe d’autres ph́enom̀enes complexes comme la diffusion thermique au sein du fluide qui impactera aussi le contr̂ole. En pratique, un capteur ne mesure une grandeur que dans une zone restreinte de l’espace, ainsi m̂eme si le transfert thermique est en cours nous n’en serons pŕevenus par le capteur que lorsque l’́eĺevation de temṕerature se produira au voisinage de la zone mesuŕee. Nous expliquerons par la suite comment tenir compte de ce ph́enom̀ene dans la mod́elisation d’un syst̀eme industriel. Le but final de cette mod́elisation est de trouver une ́equation diff́erentielle permettant de rendre compte du comportement du syst̀eme afin de pouvoir d́eterminer une strat́egie de commande optimale. Comme nous venons de le d́emontrer, l’approche uniquement fond́ee sur des ́equations de la physique peut ̂etre complexe et tr̀es longue, ce qui rend cette t̂ache quasi-impossible à ŕealiser dans un cadre industriel pour des raisons de temps et de côut. Il faut pouvoir trouver une solution simple et rapide à mettre en oeuvre, qui ŕeponde ńeanmoins aux exigences du client.

Unit́e de valorisation enerǵetique

Dans un monde en pleine croissance d́emographique, l’́elimination des d́echets devient de plus en plus difficile. En effet, les pays qui n’ont pas assez d’espace pour cŕeer des sites d’enfouissement doivent trouver d’autres solutions pour faire face à ce probl̀eme. L’incińeration des ordures ḿenag̀eres (OM), lorsqu’elle est mâıtriśee, est une solution int́eressante à ce probl̀eme. Selon les auteurs de [2], l’incińeration peut ŕeduire le volume occuṕe par les OM de 90 % tout en produisant de l’́energie thermique et/ou ́electrique. On parle de coǵeńeration lorsque les deux types d’́energie sont produites.
Egalement les m̂achefers d’incińeration peuvent ̂etre utiliśes dans la construction des routes et dans l’industrie du b̂atiment. Mais la minimisation de la pollution de l’air reste le probl̀eme majeur de ce type d’installation. Le but de l’oṕerateur et/ou des correcteurs est de contr̂oler le d́ebit de vapeur produit, et donc la production d’́energie, tout en assurant une combustion compl̀ete, qui est synonyme d’́emission de polluants minimale. La figure 1.6 ci-dessous pŕesente le principe de fonctionnement d’un incińerateur d’ordures ḿenag̀eres.
Les d́echets sont introduits dans la zone la plus haute de la grille. Ces derniers vont subir quatre transformations successives à savoir respectivement :
1. une phase de śechage qui se fait gr̂ace à l’air primaire chaud et au rayonnement de la flamme.
Durant cette phase une partie de la vapeur d’eau du combustible est lib́eŕee ;
2. une phase de pyrolyse au cours de laquelle il y a un d́egagement gazeux. Ce dernier est principa-lement compośe d’hydrocarbures (CxHy), de monoxyde de carbone (CO), de dioxyde de carbone (CO2), de vapeur d’eau (H2O(g)) et de dihydrog̀ene (H2). A la fin de cette phase, le combustible restant a et́ transforḿe en ŕesidu charbonneux ;
3. une phase de gaźeification durant laquelle une partie du ŕesidu charbonneux se transforme en gaz (essentiellement H2 et CO) ;
4. une phase de combustion compl̀ete durant laquelle tous les d́egagements gazeux et les ŕesidus charbonneux sont consomḿes pour donner du CO2 et du H2O(g). Apr̀es cette phase, les ŕesidus restants sont dits inertes (ḿetaux, b́eton, m̂achefers …).
L’́energie chimique est transforḿee au cours de la combustion en ́energie thermique. Afin de ŕe-cuṕerer cette dernìere, les parois du four d’incińeration sont tapisśees de tubes ́evaporateurs. L’eau contenue dans ces tubes s’́evapore sous l’effet de la chaleur. Ceci cause un mouvement ascendant de convection naturelle (effet thermosiphon) d̂u au gradient de temṕerature et au changement de phase du fluide. En effet, la vapeur d’eau est pousśee vers le haut par la colonne d’eau qui rentre dans l’́evaporateur. La figure 1.7 sch́ematise le fonctionnement de la chaudìere. La vapeur quitte le ballon śeparateur pour aller vers les surchauffeurs. Il est imṕeratif de s’assurer que la vapeur soit ”s̀eche”, c’est à dire qu’il n’y ait pas de trace de gouttelettes d’eau. Ces dernìeres peuvent causer des dommages tr̀es importants au niveau de la turbine. En effet, la vapeur produite sera utiliśee premìerement, pour produire de l’́electricit́ au travers d’une turbine à vapeur et deuxìemement pour ́echanger de la chaleur avec un ŕeseau de chauffage secondaire. Ce dernier pourra ̂etre par exemple un ŕeseau de chauffage urbain.

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Table des matières

Introduction
1 Identification des syst̀emes industriels
1.1 Pŕesentation des syst̀emes industriels rencontŕes
1.1.1 Centrale de traitement de l’air
1.1.2 Pasteurisateur/St́erilisateur
1.1.3 Unit́e de valorisation ́enerǵetique
1.2 Proćed́es industriels et syst̀emes ̀a retard
1.2.1 Syst̀emes industriels et syst̀emes ̀a retard
1.2.2 Techniques d’identification des syst̀emes ̀a retard
1.3 Contribution ̀a l’identification des syst̀emes industriels
1.3.1 Algorithme d’identification pour des syst̀emes industriels
1.3.2 Mod́elisation de la combustion dans une UVE pour le contr̂ole multivariable
1.3.3 Application industrielle des algorithmes propośes
1.4 Conclusion
2 Commande des syst̀emes industriels
2.1 Stabilit́e, performance et robustesse des syst̀emes boucĺes
2.1.1 Etude d’un syst̀eme multivariable
2.1.2 Etude d’un syst̀eme monovariable
2.1.3 Etude des syst̀emes ̀a retard
2.2 Strat́egies de contr̂ole pour des syst̀emes industriels
2.2.1 La commande RST
2.2.2 La commande ̀a mod̀ele interne
2.2.3 Commande Lińeaire Quadratique robuste
2.2.4 Utilisation de l’apprentissage par renforcement pour la commande
2.3 Contribution au contr̂ole des syst̀emes industriels
2.3.1 Contr̂ole multivariable de la production de vapeur dans une UVE
2.3.2 Correcteur RST avec pŕedicteur de Smith modifíe
2.4 Conclusion
3 Diagnostic pŕedictif dans le monde industriel
3.1 Diagnostic pŕedictif dans l’industrie
3.1.1 La maintenance des syst̀emes industriels
3.1.2 Diagnostic, pronostic et maintenance
3.2 Diff́erentes techniques pour le diagnostic pŕedictif
3.2.1 Ḿethodes quantitatives pour le diagnostic des d́efauts
3.2.1.1 Redondance analytique et ŕesidus
3.2.1.2 Approches baśees sur un mod̀ele de connaissance
3.2.2 Ḿethodes qualitatives pour le diagnostic des d́efauts
3.2.2.1 Approche causale
3.2.2.2 Approche abstraite híerarchiśee
3.2.3 Ḿethodes baśees sur les donńees historiques
3.2.3.1 Approche qualitative
3.2.3.2 Approche quantitative
3.3 Contribution dans la d́etection et le diagnostic des d́efauts
3.4 Conclusion
Conclusion et perspectives
Bibliographie
Liste des annexes
A Outils math́ematiques
A.1 Transformation de Laplace
A.2 Transformation de Fourier
A.3 Propríet́es des transformations de Laplace et de Fourier
A.4 Calculs matriciels
B Liste des publications et des participations ̀a des conf́erences