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AVERTISSEMENT



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LIENS




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http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm
´Ecole doctorale IAEM Lorraine
DFD Automatique et Production Automatis´ee
Institut National Polytechnique de Lorraine
R´econciliation de donn´ees en pr´esence
d’incertitudes de mod`ele. Application
au convertisseur `a oxyg`ene.
`THESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 5 juillet 2010
pour l’obtention du
Doctorat de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Sp´ecialit´e Automatique et Traitement du signal
par
Julien Francken
Composition du jury
Pr´esident : Michel Zasadzinski Professeur a` l’Universit´e Henri Poincar´e, Nancy 1
Rapporteurs : Fr´ed´eric Kratz Professeur a` l’ENSI Bourges
Boutaib Dahhou Professeur `a l’Universit´e Paul Sabatier
Examinateurs : Christophe Combastel Maˆıtre de Conf´erences `a l’ENSEA
Didier Maquin Professeur a` l’INPL (Directeur de th`ese)
Jos´e Ragot Professeur a` l’INPL (Co-directeur de th`ese)
Invit´e : Bertrand B`ele Ing´enieur R&D ArcelorMittal Maizi`eres Process
Centre de Recherche en Automatique de Nancy
UMR 7039 Nancy-Universit´e – CNRS
2, avenue de la forˆet de Haye 54516 Vandœuvre-l`es-Nancy
T´el.+33 (0)3 83 59 59 59 Fax +33 (0)3 83 59 56 44Misenpageaveclaclassethloria.`Amesparents
`Amonfr`ere
`Atousmesamis
iiiRemerciements
Arrivé au terme de la rédaction de ce mémoire, il m’est particulièrement agréable d’expri-
mer ma gratitude et mes remerciements à tous ceux qui, par leurenseignement,leursoutienet
leursconseils,m’ontaidéàsaréalisation.
Jetienstoutd’abordàremerciersincèrementmesdirecteursdethèse,MonsieurDidierMa-
quin et Monsieur José Ragot qui m’ont honoré de leur confiance enm’acceptantetenmefor-
mant au sein du groupe thématique« sûreté de fonctionnement et diagnostic» (SURFDIAG)
du Centre de Recherche en Automatique de Nancy (CRAN). Ils m’ont permis de poursuivre
mon travail de recherche dans un esprit scientifique rigoureux. Leurs écoutes attentives, leurs
judicieux conseils ainsi que leurs vastes connaissances scientifiques m’ont été d’une aide pré-
cieuseetontcontribuéàalimentermaréflexion.Puissentceslignesêtrel’expressiondemaplus
profondereconnaissance.
JeremercieparticulièrementMonsieurMichelZasadzinski,Professeuràl’UniversitéHenri
PoincarédeNancy1,d’avoiracceptédefairepartiedujurydethèseetdem’avoirfaitl’honneur
delaprésider.
Je tiens à témoigner ma reconnaissance au membre du jury, Monsieur Frédéric Kratz Pro-
fesseur à l’ENSI Bourges, Monsieur Boutaib Dahhou Professeuràl’UniversitéPaulSabatier
et Monsieur Christophe Combastel Maître de Conférences à l’ENSEA pour leur présence à la
soutenancedethèse,pourleurslecturesminutieusesetleurremarquespertinentes.
Jesouhaiteégalementadressermesremerciementslesplussincèresàl’ensembledesmembres
dudépartement“MeasurementandControl”d’ArcelorMittalMaizièreProcess,pourleursdis-
ponibilités et les agréables moments passés ensemble. Un merci particulier à Bertrand Bèle et
Alain Mouchette pour leurs suivis, leurs aides et leurs vifs intérêts portés à ces travaux. Les
nombreuses et intéressantes discussions échangées sur le sujet ont contribué à faire évoluer et
mûrircestravauxderecherche.
Ma gratitude va également à Jean-Christophe Huber, Damien Wagner et Guillaume Brosse
pourletempsqu’ilsontconsacréàmeformeràlacompréhensionduconvertisseuràoxygène.
Mes remerciements sont également adressés à tous les membresdulaboratoirequim’ont
aidés lors de mes recherches. Un merci tout particulier à mes camarades de thèses et amis,
Anca,Dalil,Farah,Ivan,Pascal,Rodolpho,Yvon,pourleursaidesetcesbonsmomentspassés
ensembledansuneambianceforteagréable.
J’adresse mes plus sincères remerciements à tous mes amis, et tout particulièrement au
groupe formé à l’origine autour d’un noyau en forme de ballon de volley-ball, avec qui j’ai
partagédesannéesformidablesenLorraine.
Je voudrais terminer en rendant un hommage particulier à mes parents qui m’ont toujours
soutenu,encouragéetappuyédansmeschoix.
iiiivTabledesmatières
1Introductiongénrale............................... 1
1.1 Contexteapplicatif ............................ 1
1.2 Descriptionduprocédé.......................... 1
1.3 Contextethéorique ............................ 1
1.4 Objectifsdelathèse ........................... 3
Chapitre1
Le problème de préréglage des outils sidérurgiques. Cas du convertisseur à oxy-
gène 5
1.1 Leconvertisseuràoxygène ............................ 7
1.1.1 Leconvertisseuràoxygènedanslachaînedeproduction ........ 7
1.1.2 Historiqueduconvertisseuràoxygène.................. 8
1.1.3 Descriptiontechniqueduréacteur .................... 9
1.1.4 Élaborationd’unecouléeenpoche.................... 10
1.1.5 Lesréactionschimiques ......................... 1
1.1.6 Paramètresdecontrôle .......................... 13
1.2 Lemodèledecalculdecharge .......................... 14
1.2.1 Bilanmassique .............................. 14
1.2.2 Bilanthermique.............................. 15
1.2.3 Choixdeséquationsdebilanspourladescriptiondumodèle ...... 15
1.3 Descriptiondeséquationsbilans ......................... 17
1.3.1 BilanFe.................................. 17
1.3.2 BilanO .................................. 17
1.3.3 Bilanengaz................................ 18
1.3.4 BilanenélémentsdulaitierautresqueleFer .............. 18
1.3.5 Équationsurlabasicitédulaitier..................... 18
vTable des matières
1.3.6 Bilanthermique.............................. 18
1.4 Pré-réglageduconvertisseuràoxygène ..................... 19
1.5 Caractérisationdusystème ............................ 19
1.6 Exempledemodèlesimplifiéduconvertisseuràoxygène ............ 20
1.7 Généralisationduproblèmedepré-réglage.................... 21
1.8 Mécanismed’adaptationtraditionnellementutilisé................ 21
1.8.1 Applicationnumériqueaumodèlesimplifié ............... 25
1.9 Conclusion .................................... 32
Chapitre2
Réconciliationdedonnéesdanslecasdemodèlesnonlinéaires 33
2.1 Introduction .................................... 35
2.1.1 Système.................................. 35
2.1.2 Défautsetétatsdefonctionnement.................... 36
2.1.3 Lesdéfautsdecapteurs.......................... 36
2.2 Filtragedesdonnées ............................... 37
2.3 Réconciliationdedonnées ............................ 38
2.3.1 Étatdel’art ................................ 39
2.4 Principedelaréconciliationdedonnéespourdesmodèlesnonlinéaires .... 42
2.4.1 Formalisationduproblèmederéconciliationdedonnées ........ 43
2.4.2 Résolutionitérativeparlinéarisationdescontraintes .......... 4
2.4.3 Méthodedeprogrammationnonlinéaire................. 45
2.4.4 Casparticulier:lesmodèleslinéaires .................. 46
2.4.5 Résolutionparécrituresousformequasi-linéaire ............ 46
2.4.6 Propriétésstatistiquesdel’estimateurnonlinéaire............ 47
2.5 Réconciliationdedonnéesenrégimedynamique ................ 48
2.5.1 LefiltredeKalman............................ 48
2.5.2 Extension des techniques de réconciliation de donnéesenrégimesta-
tiqueaucasdynamiqueparutilisationdefenêtred’observationglissante 48
2.5.3 Estimationd’étatsurunhorizond’observationconstant......... 48
2.5.4 Implémentationpratique–Estimationd’étatsurfenêtreglissante.... 50
2.6 Détectionetisolationdedéfaut.......................... 50
2.6.1 Etatdel’art ................................ 51
2.6.2 Analysedescorrectionsdesmesures................... 52
2.6.3 Détectiondesdéfauts........................... 53
viChapitre3
Réconciliationdedonnéesdessystèmesstatiquesincertains 55
3.1 Introduction .................................... 57
3.2 Caractérisationdesincertitudesdemodèle .................... 57
3.3 Réconciliationdedonnéesparpénalisationdecontraintes............ 58
3.3.1 Introduction................................ 58
3.3.2 Estimationd’étatàparamètresconstantsetconnus ........... 59
3.3.3 Etude de la sensibilité des estimées vis-à-vis d’une variation des para-
mètresdumodèle............................. 59
3.3.4 Solutionsous-optimaledel’estimationd’état .............. 63
3.3.5 Extensionàl’utilisationdemultiplesfonctionsdepénalisation ..... 64
3.3.6 Choixdesfacteursdepondération .................... 6
3.3.7 Détectionetisolationdesdéfauts .................... 69
3.3.8 Conclusion ................................ 73
3.4 Estimationsimultanéedesvariablesd’étatetdesparamètres .......... 75
3.4.1 Introduction................................ 75
3.4.2 Exemple ................................. 75
3.4.3 Généralisationauxmodèleslinéaires................... 7
3.4.4auxnonlinéaires ................ 79
3.4.5 Sensibilitédel’estimateurdesvaleursvraies .............. 81
3.4.6 Conclusion ................................ 85
Chapitre4
Améliorationdupréréglageparadaptationdesmodèles 87
4.1 Introduction .................................... 8
4.2 Estimationsimultanéeavecfenêtred’observationglissante ........... 88
4.2.1 Objectifsprincipaux ........................... 8
4.2.2 Méthodeproposée ............................ 89
4.2.3 Modèleduprocessus ........................... 89
4.2.4 Méthoded’estimationdesvariablesd’étatetdesparamètres ...... 90
4.2.5 Algorithme ......................... 91
4.2.6 Implémentationpratique–estimationsurfenêtreglissante ....... 92
4.2.7 Applicationnumériqueàunmodèlesimplifiéduconvertisseur ..... 92
4.2.8 Miseàl’échelledesvariables ...................... 95
vii