Modélisation et contrôle des réacteurs discontinus alimentés : application au développement d'outils industriels

par Karlheinz Preuss

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Marie-Véronique Le Lann.

Soutenue en 2001

à Toulouse, INPT .

mots clés

• Commande prédictive
• Bacteries -- Croissance
• Évaluation
• Levure (agent de fermentation)
• Réacteurs chimiques

Résumé

Dans l'industrie de procédés, de nombreuses opérations se déroulent dans des réacteurs discontinus. Leur exploitation est marquée par la présence d'un régime transitoire et une absence de régime permanent. Dû à ce caractère, les outils de conduite utilisés pour l'automatisation de ce type de procédé doivent effectuer des tâches de régulation et de supervision. Ces deux tâches sont effectuées généralement à l'aide d'un modèle du procédé. La régulation concerne l'asservissement des actionneurs en fonction de la consigne imposée pour une ou plusieurs variables d'état. La supervision est nécessaire pour gérer les différentes phases du procédé. L'emploi industriel des ces outils d'automatisation est soumis a deux exigences principales. Premièrement, l'effort de développement et d'implantation doit être restreint. Deuxièmement, les outils doivent être suffisamment flexibles et robustes afin de pouvoir s'adapter aux variations auxquelles le procédé est soumis en pratique industrielle. Pour répondre à ces exigences, ce travail étudie l'utilisation des modèles simplifiés pour réduire l'effort de développement. Pour compenser les erreurs de modélisation dues à la simplicité des modèles et pour réaliser la flexibilité souhaitée, les outils sont munis d'une procédure d'adaptation automatique. Cette adaptation repose sur l'estimation en ligne des paramètres du modèle. L'estimation est effectuée à partir des valeurs mesurées de certaines variables provenant d'une fenêtre glissante sur le passé. Pour les tâches de régulation, différents algorithmes de la commande prédictive sont utilisés. Cette démarche est appliquée au développement d'outils de conduite pour trois procédés industriels à l'échelle pilote : contrôle du taux de croissance d'une culture batch de bactéries Brevibacterium linens, conduite d'une propagation de levure Saccharomyces cerevisiae, conduite thermique d'un réacteur discontinu en chimie fine. Il s'est avéré que l'utilisation des modèles simplifiés permet d'obtenir des temps de développement courts. En revanche, la dérivation de ce type de modèle ne peut pas être effectuée d'une manière générale car elle dépend des caractéristiques du procédé particulier et du problème de conduite à résoudre. Les résultats expérimentaux obtenus sur les trois procédés sont satisfaisants. La procédure appliquée pour l'adaptation des outils de conduite permet de les rendre flexibles et robustes. Deux des outils implantés sont devenus des standards pour l'exploitation des installations pilotes.

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