Approche standard et expérimentale pour le contrôle avancé appliqué à la cryogénie

Abstract

Cette thèse présente la problématique des modèles et des systèmes de contrôle appliqués à certaines installations cryogéniques utilisées au CERN et exploite l'expérience accumulée pendant plus de dix ans lors de la construction, du développement et de la mise en route des installations cryogéniques du LHC. La première partie introduit (i) les bases de la cryogénie, tels les fluides cryogéniques, la théorie de transfert de chaleur, le concept de thermodynamique, (ii) les installations de test cryogéniques et les détecteurs au CERN. La deuxième partie donne une vue d'ensemble des techniques standards utilisées pour l'identification du système et la conception des lois de commande. La troisième partie présente une nouvelle approche théorique à la modélisation et au contrôle pour des systèmes cryogéniques à grande échelle, dont la formulation est appliquée sur le condensateur liquide à Krypton de l'expérience NA62. Premièrement, un modèle est dérivé d'équations de bilan sous la forme d'équations différentielles ordinaires (ODE) qui décrivent le flux de masse et le transfert de chaleur entre des fluides cryogéniques. La phase de modélisation est suivie d'une proposition d'une stratégie de contrôle avancé, le Time Delay Control, dont les performances, obtenues en simulation, est présentée en comparant avec les performances d'une boucle de régulation plus traditionnelle (correction PID). L'implémentation de la solution proposée a demandé une phase d'analyse plus approfondie afin d'estimer statistiquement les délais de communication rencontrés lors de la mise en marche du système ainsi contrôlé. La quatrième partie présente les principes de programmation et les outils informatiques actuellement utilisés au CERN pour gérer les installations cryogéniques.Pour terminer l'étude, des conclusions sont données à partir du travail théorique et pratique présenté avec une vue d'ensemble des nouvelles perspectives ouvertes par celui-ci.This thesis deals with the problem of modeling and control applied to some of the cryogenic plants currently used at CERN, and exploits the experience accumulated over more than ten years on the construction, deployment and operation of the LHC cryogenic installations. The first chapter introduces (i) the basics of cryogenics, such as cryogenic fluids, heat transfer theory, concepts of thermodynamics, and (ii) cryogenic test facilities and detectors at CERN. The second chapter gives an overview of the standard techniques used for system identification and control design. The third chapter presents a novel theoretical approach to modeling and control for large scale cryogenic systems, whose formulation is applied to the liquid Krypton condenser of the NA62 experiment. First, a model is derived from balance equations in the form of ordinary differential equations (ODE) describing the mass flow and the heat transfer between cryogenic fluids. The modeling phase is followed by the proposal of an advanced control strategy, the Time Delay Control, whose performances obtained in simulation are presented in comparison with those of a more traditional PID-based control loop, thus showing the improvement allowed by the new approach. The implementation of the proposed solution required a further phase of analysis in order to statistically estimate the communication time delays usually encountered during the operation of the system under control. The results of these analyses are also presented. The fourth chapter presents the programming paradigm and the software tools currently used at CERN to handle the cryogenic plants. The thesis ends with the discussion of the conclusions drawn by the theoretical and practical work presented in the previous parts, along with an overview of the new perspectives it has opened.AMIENS-BU Sciences (800212103) / SudocSudocFranceF