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Sujet de Thèse

Etude et Mise au point d’une structure de commande et de régulation d’un
réfrigérateur cryogénique fonctionnant en régime continu et pulsé

Responsable :
Alain BARRAUD Email : alain.barraud@inpg.fr Tel : 04.76.82.62.25
Site web du LAG : http : //www.lag.ensieg.inpg.fr
Site web du responsable
: http://www.lag.ensieg.inpg.fr/fr/pagePerso.php?id=Alain.Barraud@inpg.fr&type=p

Co-encadrants :
Mazen ALAMIR mazen.alamir@inpg.fr Tel : 04.76.82.63.26
Site web du co-encadrant : http://www.lag.ensieg.inpg.fr/alamir/index.htm
Patrick BONNAY patrick.bonnay@cea.fr Tel : 04.38.78.45.30
Site web du co-encadrant :

Financement : ■ demandé obtenu :

MOTS-CLES :
Modélisation, commande, robustesse, décomposition, système non linéaire.

CADRE ET OBJECTIFS DU SUJET :

Les installations actuelles de réfrigérateurs sont généralement conçues pour un fonctionnement en
régime quasi stationnaire. Leur « contrôle commande » est constitué pour l’essentiel d’automates
programmables industriels et de régulations à base de PID.
Dans cette approche la conception locale de la commande est essentiellement locale. Du fait de
l'interaction entre les sous-systèmes, une perturbation dans un sous système influence les autres, par
voie naturelle (température, débit, pression,…) et par les régulations mêmes qui tentent de corriger
localement les effets de cette perturbation. Il peut en résulter des instabilités ou des fluctuations dont
l’importance entraine un arrêt sécuritaire de l'installation.
La prise en compte de l'ensemble des interactions dans une approche multivariable directe n'est pas
envisageable du fait de la complexité et de la non linéarité du système, du nombre des interactions...
Une décomposition s'impose, qui rende possible une régulation locale performante d'une part, la
stabilisation globale du système d'autre part, en présence de perturbations importantes.
L’expérience acquise par le LAG dans des problématiques semblables a mis en évidence le rôle clé
des accumulations pour la stabilisation des flux de matière et d'énergie dans une installation
complexe, et la possibilité d'utiliser ces accumulation comme base d'une décomposition. Deux
échelles de temps apparaissent alors : l'une rapide pour la régulation locale des variables
fondamentales, l'autre à une échelle plus lente pour assurer la stabilisation globale des bilans.
L’objectif est dans ce contexte de concevoir et de valider une telle décomposition pour la commande
des réfrigérateurs cryogéniques.

Pour aborder ce travail, on sait que dans de tels systèmes les accumulations sont les seuls éléments
qui peuvent "absorber" des perturbations sans les transmettre à leurs voisins – du moins dans la limite
de leurs seuils hauts et bas.
L’idée à développer est donc de décomposer en des sous-systèmes locaux "séparés" par les
accumulations existantes. L'accumulation est une "ressource" pour le sous-système local associé. Si
Département Automatique – GIPSA-lab, B.P. 46, 38402 Saint Martin d’Hères cedex
on suppose dans un premier temps que cette ressource est "suffisante", une commande performante
du sous-système peut être conçue selon les méthodes classiques de l'Automatique.
Le rôle du niveau global de la commande est alors d'assurer la gestion de ces "ressources" à l'aide
des entrées primaires du système (flux énergétiques et matériels externes et flux matériel inter-
accumulations. Ce niveau global présente plusieurs caractéristiques :
- La commande peut se faire sur une échelle de temps plus lente, adaptée à la taille des
accumulations
- Le modèle associé à cette fonction ne représentant que les flux matériels, les variables locales étant
réputées stabilisées, peut être simplifié en conséquence.
On peut en conséquence mettre en œuvre, à ce niveau global, une commande dynamique
(multivariable) qui prend en compte toutes les interactions ainsi que les contraintes physiques du
système. La commande prédictive non linéaire devrait être l'outil privilégié de synthèse de la
commande.
Cette décomposition basée sur les accumulations est le point central de l'approche suggérée :
S'adressant dans son principe même à des régimes transitoires, elle doit permettre la compensation
de perturbations importantes. Un critère d'optimisation peut aussi être introduit à ce niveau.
Ce principe a été testé avec succès dans plusieurs types de procédés industriels, et notamment sur la
section à basse température d'un vapo-craqueur de production d'éthylène de grande capacité
(100t/jour).
Le travail de thèse consiste à développer et à évaluer cette approche méthodologique pour la
commande des réfrigérateurs cryogénique de grande capacité. Il comportera les volets suivants :
- Analyse du système et définition de la décomposition
- Installation des régulations locales (sous une forme assez simple au départ)
- Modélisation globale simplifiée en vue de la commande globale
- Développement de la commande globale sous contraintes (commande prédictive avec modèle par
exemple)
- Test de l'ensemble.
L'étude sera menée sur un simulateur pour une validation de l'approche. Une mise en œuvre
expérimentale sera réalisée sur une station dédiée.
Les résultats obtenus permettront ainsi de valider un nouveau concept pour l’automatique de grands
réfrigérateurs. Ce concept associé à d’autres solutions permettrait par exemple au réfrigérateur
d’ITER de refroidir suffisamment les aimants supraconducteurs lors de transitoires sur la demande de
réfrigération.
D’autres domaines pourraient profiter des résultats obtenus notamment les NTE pour l’automatique de
futurs liquéfacteurs.

Le doctorant sera basé au CEA Grenoble au Service des Basses Températures dans l'Equipe
automatique

REFERENCES :
G. Bornard. "Process control : From theory to applications". Cours invité à l'Ecole d'Eté
d'Automatique de Grenoble, 1993.
M. Alamir, G. Bornard. "Stability of a truncated infinite constrained receding horizon scheme : The
general nonlinear case". Automatica 31, No 9, 1996.
Alamir, M.; Sheibat-Othman, N. and Othman, S. "Constrained Nonlinear Predictive Control for
maximizing Production in Polymerization Processes". To appear in IEEE Transactions on Control
Systems Technology (2006).

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