Modélisation et contrôle des grands réfrigérateurs cryogéniques

par François Bonne

Thèse de doctorat en Automatique productique

Sous la direction de Mazen Alamir et de Patrick Bonnay.

Soutenue le 12-12-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec CEA/SBT (laboratoire) et de Grenoble Images Parole Signal Automatique (laboratoire) .

Le président du jury était Isabelle Queinnec.

Le jury était composé de Mazen Alamir, Patrick Bonnay, Philippe Gayet.

Les rapporteurs étaient Pierre Rouchon, Denis Dochain.


  • Résumé

    Ce manuscrit de thèse s'intéresse à la modélisation et au contrôle des réfrigérateurs cryogéniques. Le cas particulier des réfrigérateurs soumis à de fortes variations de charges thermiques est étudié. Un modèle de chaque objet pouvant se trouver dans un réfrigérateur est proposé. La méthodologie d'assemblage pour obtenir le modèle des sous-systèmes qui composent le réfrigérateur est présenté, accompagnée de la méthode permettant d'obtenir une approximation linéaire des modèles des sous-systèmes. Grâce aux modèles développées, des lois de commande avancées sont synthétisées. Un contrôleur linéaire quadratique pour les stations de compression à deux ou trois niveaux de pression est proposé, ainsi qu'un contrôleur prédictif sous contrainte pour la boite froide. La particularité de ces stratégies de contrôle est qu'elles sont compatibles avec un automate programmable industriel (API) , doté d'une capacité de calcul et de stockage de donnée réduite. La capacité de prédiction en boucle ouverte du modèle développé est validé au regard de données expérimentales et les stratégies de contrôle sont validés en simulation et expérimentalement sur la station d'essais 400W@1.8K du SBT et sur la station de compression du LHC, au CERN.

  • Titre traduit

    Modelling and control of large cryogenic refrigerator


  • Résumé

    This manuscript is concern with both the modeling and the derivation of control schemes for large cryogenic refrigerators. The particular case of those which are submitted to highly variable pulsed heat load is studied. A model of each objet that normally compose a large cryorefrigerator is proposed. The methodology to gather objects model into the model of a subsystem is presented. The manuscript also shows how to obtain a linear equivalent model of the subsystem. Based on the derived models, advances control scheme are proposed. Precisely, a linear quadratic controller for warm compression station working with both two and three pressures state is derived, and a predictive constrained one for the cold-box is obtained. The particularity of those control schemes is that they fit the computing and data storage capabilities of Programmable Logic Controllers (PLC) with are well used in industry. The open loop model prediction capability is assessed using experimental data. Developed control schemes are validated in simulation and experimentally on the 400W@1.8K SBT's cryogenic test facility and on the CERN's LHC warm compression station.


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