Contribution à la modélisation simplifiée des fours verriers

Les fours verriers industriels opèrent la fusion et la préparation d'un mélange vitrifiable pour le formage. Dans une cuve réfractaire, les masses subissent les processus d'élaboration du verre grâce à l'apport d'énergie par combustion. Pour assurer une qualité maximale du produit tout en respectant les contraintes de fonctionnement, le pilotage des fours est optimisé, notamment grâce aux algorithmes de commande prédictive. Pour ces applications en temps réel, des modèles rapides du four sont nécessaires. Parmi les approches de modélisation rapide, on a choisi ici d'écrire les premiers principes sur une géométrie de four simplifiée moyennant des simplifications sur la structure de l'écoulement et la combustion. Le modèle est du type zonal et fournit les profils moyens de température du four. Le travail a été concentré sur la chambre de combustion et l'originalité tient dans la possibilité de caler le modèle grâce à des paramètres empiriques sur la vitesse de combustion.Industrial glass furnaces operate the fusion and the preparation of a vitrifiable mixture before the forming. Inside a refractory enclosure, the masses are mixed and undergo the glass elaboration processes thanks to the energy input by combustion. To ensure an optimal quality of the product while respecting the operating constraints, the furnace control is optimized, particularly thanks to predictive control algorithms.For these real-time applications, rapid models of the furnace are required. Among the various simplified modelling methods, we chose here to write the first-principles on a simplified geometry, making simplifying assumptions on the flow structure and combustion model. The model is of zonai type and gives the temperature mean profiles in the furnace. The work was mainly focused on the combustion chamber, and the originality remains in the possibility to tu ne the model thanks to empirical parameters on the combustion rate.NANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Contribution sur la synthèse d'observateurs pour les systèmes dynamiques hybrides

La thèse porte sur la synthèse d'observateurs pour les systèmes dynamiques hybrides. Nous considérons particulièrement les systèmes décrits par un ensemble fini de sous-systèmes linéaires à temps discret et une loi de commutation. Le sous-système actif et les commutations d'un sous-système à un autre peuvent être définis par une commande externe contrôlable (systèmes à commutation), ou par des transitions autonomes (systèmes affines par morceaux). Sous l'hypothèse de la connaissance du mode actif à chaque instant, nous montrons que l'association de l'observateur commuté avec une contrainte de placement de pôles permet de proposer un schéma d'observation à entrée inconnue pour résoudre le problème de la synchronisation des systèmes à commutation chaotiques avec un message incorporé. Dans le cas de des systèmes affines par morceaux, nous proposons une méthode pour détecter le mode actif. L'association de cette méthode avec l'observateur commuté permet l'estimation conjointe de l'état continu et état discret. Enfin, nous considérons le cas de commutations régies par un RdP. Nous proposons un schéma d'observation utilisant un observateur de RdP et un observateurAThe thesis is concerned with the observers synthesis for the hybrid dynamic systems. We particularly consider the systems described by a finite set of discrete-time linear subsystems and a commutation law. The active subsystem and the commutations between the subsystems can be defined by a controllable external command (switched systems), or by the autonomous transitions (piecewise affine linear systems). Under the assumption of the knowledge of the active mode, we show that the association of the switched observer with a pole placement constraint allows to propose observation scheme to solve the synchronization problem of the switched chaotic systems with an embedded message. In the case of piecewise affine systems, we propose a method to detect the active mode. The association of this method with the switched observer allows the joint estimate of the continuous state and discrete state. Finally, we consider the case of commutations governed by a PN. We propose an observation scheme using a PN observer and a switched observer.NANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Une approche prédictive pour la commande d'un convertisseur

Spécial JD-JN-MACS'07 1ère partieLes lois de commande classiques pour les convertisseur de puissance à base de modèle moyen permettent de régler le régime transitoire, mais se heurtent souvent à un comportement en régime permanent mal maîtrisé (forme d'onde, sousharmonique, etc.). Cet article présente une nouvelle approche prédictive qui permet d'atteindre un cycle optimal périodique, à partir de la référence moyenne sur le courant et sur les tensions. Ce cycle est utilisé comme référence pour une commande prédictive. L'implantation en temps réel est alors assurée par un réseau de neurones. Nous validons la loi de commande à l'aide de simulations sur un hacheur à trois cellules

Une approche prédictive pour la commande d'un convertisseur

Spécial JD-JN-MACS'07 1ère partieLes lois de commande classiques pour les convertisseur de puissance à base de modèle moyen permettent de régler le régime transitoire, mais se heurtent souvent à un comportement en régime permanent mal maîtrisé (forme d'onde, sousharmonique, etc.). Cet article présente une nouvelle approche prédictive qui permet d'atteindre un cycle optimal périodique, à partir de la référence moyenne sur le courant et sur les tensions. Ce cycle est utilisé comme référence pour une commande prédictive. L'implantation en temps réel est alors assurée par un réseau de neurones. Nous validons la loi de commande à l'aide de simulations sur un hacheur à trois cellules

Synthèse de commandes optimales pour les systèmes commutés cycliques. Applications aux convertisseurs de puissance

International audienceCet article considère problème de la commande optimale pour la classe des systèmes commutés a fonctionnement cyclique. Une mode est proposée pour générer la commande sous la forme d'un retour d'état. Il est montre que cette synthèse passe par le calcul d'arcs singuliers. Une condition algébrique simple est énoncée pour effectuer ce calcul. Deux exemples de convertisseurs sont utilises a titre d'illustration sur des critères quadratiques et temps optimal

Sur les systèmes à commutation à deux échelles de temps (une application au contrôle de guidage de bande dans un laminoir à chaud)

Dans cette thèse, on s'est attaché à résoudre un certain nombre de problèmes qui apparaissent lorsqu'on traite des problèmes concrets de contrôle: phénomènes à plusieurs échelles de temps, discontinuités de la commande lors du basculement d'un correcteur à un autre, nécessité de concevoir un nombre limité de correcteurs différents malgré une gamme très importante des produits traités. Pour illustrer concrètement les résultats obtenus, nous nous sommes appuyés sur un exemple industriel concret, le contrôle de guidage de bande durant le processus de laminage dans un laminoir à chaud. D'abord, nous proposons une solution convexe au problème de commande optimale linéaire quadratique pour les systèmes linéaires à deux échelles de temps en temps discret. Ensuite, nous établissons des conditions suffisantes, formulées sous la forme d'inégalités matricielles linéaires, qui permettent de vérifier la stabilité d'un système à commutation à deux échelles de temps et de synthétiser des correcteurs stabilisants. Nous proposons aussi dans ce travail une méthode pour minimiser les discontinuités sur la commande dans le cadre des systèmes à commutation. Dans le contexte du contrôle de guidage de bande pour un laminoir à chaud, nous ne pouvons pas négliger l'influence des paramètres incertains, qui sont dus principalement au fait que ce genre de système traite une gamme de produits très large. Donc, dans la synthèse du correcteur, nous prenons en compte ces variations en divisant l'ensemble des produits en plusieurs familles et en synthétisant un correcteur différent pour chaque familleThis Ph.D. thesis deals with a certain number of problems arising in practical implementation of control systems: multi time scale phenomena, sudden modifications on the system dynamics, discontinuities on the control signal due to controller switchings, the need of design a limited number of controllers in spite of a wide variation on the physical parameters. In order to illustrate the validity of the obtained results, we resort to a real problem concerning the steel production framework, the robust steering control of a hot strip finishing mill. First, a convex solution of the linear quadratic control design for discrete two time scale systems is proposed. Hence, we address the stability problem of two time scale switched systems. We show that stability of the slow and fast switched subsystems under arbitrary switching rules does not imply the stability of the corresponding two time scale switched system in the singular perturbation form. An additional constraint, independent of the value of the singular parameter and of the switching rule, is provided in terms of linear matrix inequalities. We also introduce a bumpless transfer method for switched systems aiming at reducing the discontinuities on the control signal. Dwell time conditions assessing the asymptotic stability of the closed loop switched system are established. The practical contribution of this thesis, the robust steering control design, exploits most of previous results. The objective is to guarantee the stability of the hot strip mill system and improve the quality of the rolled productsNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Une approche prédictive pour la commande d'un convertisseur multicellulaire

National audienceLes lois de commande classiques pour les convertisseur de puissance à base de modèle moyen permettent de régler le régime transitoire, mais se heurtent souvent à un comportement en régime permanent mal maîtrisé (forme d'onde, sous-harmonique, etc.). Cet article présente une nouvelle approche prédictive qui permet d'atteindre un cycle optimal périodique, à partir de la référence moyenne sur le courant et sur les tensions. Ce cycle est utilisé comme référence pour une commande prédictive. L'implantation en temps réel est alors assurée par un réseau de neurones. Nous validons la loi de commande à l'aide de simulations sur un hacheur à trois cellules

Practical optimal state feedback control law for continuous-time switched affine systems with cyclic steady state

International audienceIn this article, a method for computing an optimal state feedback control law for continuous-time switched affine systems exhibiting cyclic behaviour in steady state is presented. The hybrid solutions are deduced from the Fillipov solutions. It is shown that the optimal trajectory synthesis implies to determine singular arcs. Algebraic conditions are given to obtain these particular arcs of the trajectory. A numerical procedure is then proposed to generate optimal trajectories on a given state space area avoiding the classical two-point boundary value problem occurring in optimal control synthesis. The interpolation of the solutions set, through a neural network, yields a state feedback control law. Several examples in the power converters field show the feasibility and the efficiency of the method

Pilotage des cycles limites dans les systèmes dynamiques hybrides (application aux alimentations électriques statiques)

Cette thèse s'intéresse au pilotage des cycles limites pour une classe particulière de systèmes hybrides (SDH): les systèmes commutés cycliques. La thématique des SDH est née du constat d'insuffisance des modèles dynamiques classiques pour décrire les comportements lorsque des aspects évènementiels interviennent. Une classe particulièrement importante de SDH est formée par celle qui présente un régime permanent cyclique. Ces systèmes ont des points de fonctionnement non auto-maintenables: il n'existe pas de commande qui maintienne le système sur ce point. Le maintien n'est assuré qu'en valeur moyenne, en effectuant un cycle dans un voisinage du point par commutation des sous systèmes. L'établissement d'une loi de commutation pour cette classe de systèmes doit répondre aux objectifs de stabilité et de performance dynamique, mais doit également garantir la satisfaction de critères liés à la forme d'onde. A l'heure actuelle, peu de méthodes de commande prennent en compte le caractère cyclique du système. Les travaux de cette thèse ont pour objectif de développer des méthodes génériques et robustes pour piloter cette classe de systèmes. Les algorithmes proposés doivent également pouvoir être implémenté en temps réels. On modélise le système comme un système non - linéaire affine en la commande dont la loi de commande apparait dans le modèle. Ce type de modélisation permet d'envisager deux types de synthèse: l'une à base de commande prédictive et l'autre à base de commande optimale. Ce travail est validé par une partie applicative sur des manipulations dans le CRAN et dans des laboratoires du réseau d'excellence européenne HYCON dans le cadre duquel s'est déroulé cette étudeThis work deals with limit cycle control for one particular class of hybrid dynamical systems (HDS): The cyclic switched systems. The HDS were born because the traditional dynamical models were not able to describe complex behaviors and most of all, behaviors with discontinuities. From an application point of view, one important class of HDS depicts a cyclic behavior in steady state. The main characteristic of these systems is that the operation point cannot be maintained: It does not exist a control that maintains the system on a desired operation point. However, this point can be obtained in average by turning into its neighborhood. Thus, a cycle is produced by switching among the system modes. A switched control law must satisfy stability and dynamic performance. Moreover, criteria related to the waveform must be verified. Nowadays, few methods take into account the cyclic behavior of the system. In this research, some generic methods are studied. They show good performance for controlling the cyclic switched systems. The proposed algorithms can be implemented in real-time. The approaches are based on an affine non-linear model of the system whose control explicitly appears. Two control methods are considered: i) A predictive control, ii) An optimal control. Since the predictive control is a good choice for tracking, it will be able to maintain the system in a cycle. The optimal control yields solutions that can be applied to the transients. Some experiments with both control methods applied to the power converters are shown. These tests were carried out not only in our laboratory (CRAN), but also in other laboratories as part of the HYCON excellence networkNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Predictive control approach for multicellular converters

International audienceThe classic methods for controlling power converters based on average model allows a good control of the transitory state. However, the steady state (waveform, subharmonic, etc) is not always completely controlled. This article shows how to obtain an optimal periodic cycle from an average reference in currents and voltages. The optimal cycle is then used as a steady state reference for a closed loop predictive control. Moreover, the real time implementation is ensured by a neural network. Simulations and experimental results for a four-level three-cell converter verify the performance of the method