Sujet de Thèse
Titre :
Commande robuste d'un four électrique en vue d'optimiser la consommation d'énergie
Dates :
2023/10/01 - 2026/09/30
Encadrant(s) :
Description :
Motivations
La société RIVA Group gère une aciérie électrique à Neuves Maisons appelée Société des Aciers d'armature pour le béton (SAM). Fort de son
engagement environnemental et face à la montée du prix de l'énergie, la gestion de l'électricité est devenue un enjeu majeur de la société RIVA Group.
Dans l'industrie sidérurgique, cette augmentation a un impact direct sur la production étant donné le fort besoin des fours électriques en énergie
(plusieurs MWh). Une bonne régulation du système d'électrodes est cruciale afin de diminuer ce coût, le four électrique ayant besoin d'énormément de
puissance afin de pouvoir faire monter l'acier en température jusqu'à son point de fusion (technologie dite « à arc électrique »). Dans cette optique, il est
essentiel de modifier et adapter les systèmes existants afin de répondre aux nouveaux enjeux économiques et énergétiques, et cela passe par une
régulation performante des électrodes.
L'objet de ce sujet de thèse est donc de proposer des stratégies d'optimisation pour la gestion de la consommation de l'énergie d'un four électrique dans
une aciérie en mobilisant les théories et les outils de l'automatique.
Dans un premier temps, il est nécessaire de modéliser finement l'installation et de recenser les actionneurs et les capteurs actuellement accessibles afin de
faire le point sur les moyens de commande disponibles et sur ceux qui seraient éventuellement intéressant de disposer. Dans un second temps, il faudra,
en s'appuyant sur la modélisation réalisée, reconstruire les variables non mesurées dont la connaissance est pertinente pour mettre en oeuvre des lois de
commande en vue d'optimiser la consommation énergétique via la synthèse d'observateurs d'état. Dans un troisième temps, des lois de commande
basées sur ces observateurs seront élaborées afin de réguler la température du four électrique tout en minimisant la consommation énergétique. Enfin,
dans un quatrième temps, il faudra valider et tester les lois de commandes proposées.
Projet de recherche
Dans ce travail de recherche doctorale, nous considérons donc la problématique de la commande d'un système complexe sous la contrainte de
l'optimisation de l'énergie consommée, ce système complexe étant un four électrique de la RIVA Group situé à la Société des Aciers d'armature pour le
béton à Neuves Maisons.
Au vue des motivations exposées ci-dessus, le projet de recherche proposé se décompose en quatre parties qui incluent chacune une étude de la littérature
et de l'état de l'art.
1) Modélisation de l'installation.
⬢ En se basant sur les lois de la physique et sur la littérature, le but est de concevoir un modèle non linéaire avec Matlab/Simulink à la fois
suffisamment simple pour pouvoir être mis en oeuvre efficacement et suffisamment détaillé pour reproduire fidèlement le comportement dynamique de
l'installation.
⬢ La conception de ce modèle s'appuiera sur le recensement des actionneurs et des capteurs existants et permettra de faire le point sur les moyens de
commande disponibles. Des propositions pourront ainsi être faites sur les actionneurs et les capteurs dont il serait éventuellement intéressant de disposer.
⬢ Le modèle non linéaire proposé permettra d'élaborer des modèles linéaires à des points de fonctionnement pertinents pour la commande du procédé.
2) Estimation des variables non mesurées.
⬢ Suite à la modélisation évoquée ci-dessus, il faudra déterminer si la connaissance de variables non mesurées est pertinente pour agir sur la maîtrise
de l'énergie consommée.
⬢ En s'appuyant sur les techniques basées sur le filtrage de Kalman-Bucy, des observateurs linéaires et non linéaires seront synthétisés pour estimer
ces variables non mesurées.
3) Synthèse de lois de commande pour réduire l'énergie consommée.
⬢ Les lois de commande proposées pourront s'appuyer sur l'un des critères d'optimisation suivant : H2, H-infini ou L1. Ces lois de commande seront
basées sur les observateurs évoqués précédemment.
⬢ Le choix des lois de commande qui seront pertinentes pour ce projet de recherche est une question ouverte. Plusieurs options pourront être étudiées
en fonction de l'évolution des travaux : séquencement de gain ou non, structure de type PID ou pas de structure, linéaire ou non linéaire, ⬦
⬢ La robustesse des lois de commande proposées sera étudiée pour prendre en compte les inévitables incertitudes sur les valeurs des paramètres des
modèles.
4) Validation des lois de commande proposées.
⬢ Cette partie concerne la mise en oeuvre des lois de commande proposées sur le modèle non linéaire de l'installation avec Matlab/Simulink.
⬢ La robustesse et les performances de ces lois de commande seront évaluées et les gains énergétiques obtenus en simulation seront quantifiés.
La société RIVA Group gère une aciérie électrique à Neuves Maisons appelée Société des Aciers d'armature pour le béton (SAM). Fort de son
engagement environnemental et face à la montée du prix de l'énergie, la gestion de l'électricité est devenue un enjeu majeur de la société RIVA Group.
Dans l'industrie sidérurgique, cette augmentation a un impact direct sur la production étant donné le fort besoin des fours électriques en énergie
(plusieurs MWh). Une bonne régulation du système d'électrodes est cruciale afin de diminuer ce coût, le four électrique ayant besoin d'énormément de
puissance afin de pouvoir faire monter l'acier en température jusqu'à son point de fusion (technologie dite « à arc électrique »). Dans cette optique, il est
essentiel de modifier et adapter les systèmes existants afin de répondre aux nouveaux enjeux économiques et énergétiques, et cela passe par une
régulation performante des électrodes.
L'objet de ce sujet de thèse est donc de proposer des stratégies d'optimisation pour la gestion de la consommation de l'énergie d'un four électrique dans
une aciérie en mobilisant les théories et les outils de l'automatique.
Dans un premier temps, il est nécessaire de modéliser finement l'installation et de recenser les actionneurs et les capteurs actuellement accessibles afin de
faire le point sur les moyens de commande disponibles et sur ceux qui seraient éventuellement intéressant de disposer. Dans un second temps, il faudra,
en s'appuyant sur la modélisation réalisée, reconstruire les variables non mesurées dont la connaissance est pertinente pour mettre en oeuvre des lois de
commande en vue d'optimiser la consommation énergétique via la synthèse d'observateurs d'état. Dans un troisième temps, des lois de commande
basées sur ces observateurs seront élaborées afin de réguler la température du four électrique tout en minimisant la consommation énergétique. Enfin,
dans un quatrième temps, il faudra valider et tester les lois de commandes proposées.
Projet de recherche
Dans ce travail de recherche doctorale, nous considérons donc la problématique de la commande d'un système complexe sous la contrainte de
l'optimisation de l'énergie consommée, ce système complexe étant un four électrique de la RIVA Group situé à la Société des Aciers d'armature pour le
béton à Neuves Maisons.
Au vue des motivations exposées ci-dessus, le projet de recherche proposé se décompose en quatre parties qui incluent chacune une étude de la littérature
et de l'état de l'art.
1) Modélisation de l'installation.
⬢ En se basant sur les lois de la physique et sur la littérature, le but est de concevoir un modèle non linéaire avec Matlab/Simulink à la fois
suffisamment simple pour pouvoir être mis en oeuvre efficacement et suffisamment détaillé pour reproduire fidèlement le comportement dynamique de
l'installation.
⬢ La conception de ce modèle s'appuiera sur le recensement des actionneurs et des capteurs existants et permettra de faire le point sur les moyens de
commande disponibles. Des propositions pourront ainsi être faites sur les actionneurs et les capteurs dont il serait éventuellement intéressant de disposer.
⬢ Le modèle non linéaire proposé permettra d'élaborer des modèles linéaires à des points de fonctionnement pertinents pour la commande du procédé.
2) Estimation des variables non mesurées.
⬢ Suite à la modélisation évoquée ci-dessus, il faudra déterminer si la connaissance de variables non mesurées est pertinente pour agir sur la maîtrise
de l'énergie consommée.
⬢ En s'appuyant sur les techniques basées sur le filtrage de Kalman-Bucy, des observateurs linéaires et non linéaires seront synthétisés pour estimer
ces variables non mesurées.
3) Synthèse de lois de commande pour réduire l'énergie consommée.
⬢ Les lois de commande proposées pourront s'appuyer sur l'un des critères d'optimisation suivant : H2, H-infini ou L1. Ces lois de commande seront
basées sur les observateurs évoqués précédemment.
⬢ Le choix des lois de commande qui seront pertinentes pour ce projet de recherche est une question ouverte. Plusieurs options pourront être étudiées
en fonction de l'évolution des travaux : séquencement de gain ou non, structure de type PID ou pas de structure, linéaire ou non linéaire, ⬦
⬢ La robustesse des lois de commande proposées sera étudiée pour prendre en compte les inévitables incertitudes sur les valeurs des paramètres des
modèles.
4) Validation des lois de commande proposées.
⬢ Cette partie concerne la mise en oeuvre des lois de commande proposées sur le modèle non linéaire de l'installation avec Matlab/Simulink.
⬢ La robustesse et les performances de ces lois de commande seront évaluées et les gains énergétiques obtenus en simulation seront quantifiés.
Mots clés :
Automatique
Département(s) :
| Contrôle Identification Diagnostic |
Financement :
SAM RIVA