Algorithmes de Contrôles Avancés pour les Installations à Gaz du LHC au CERN suivant le Framework et l approche dirigée par les modèles du projet GCS

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1 Ecole docorale Scieces e Saé Cere Europée pour la Recherche Nucléaire Algorihmes de Corôles Avacés pour les Isallaios à Gaz du LHC au CERN suiva le Framework e l approche dirigée par les modèles du proe GCS THESE Préseée e soueue publiueme pour l obeio du grade de Doceur de l Uiversié de Picardie Jules Veres par Sébasie Cabare le xx Mars 008 deva le ury composé de : Mr. Xxxxx xxxxxxx Préside Mr. Adré BIGAND Mr. Xxxxx xxxxxxx Rapporeur Rapporeur Mr. Reaud BARILLERE Mr. Xxxxx xxxxxxx Examiaeur Examiaeur Mr. Ahmed RACHID Mr. Hervé COPPIER Direceur de hèse Co-Ecadra de hèse Laboraoire des Techologie Iovaes LTI

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3 U peu de sciece éloige de Dieu, mais beaucoup y ramèe. Louis Paseur

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5 Remerciemes

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7 Table LISTE DES FIGURES PREAMBULE IV IX INTRODUCTION 3 OBJECTIFS DE LA THESE 3 CONTEXTE DE TRAVAIL AU CERN 4 CONTEXTE DE DEVELOPPEMENT 7 ETAT DE L ART 9 ORGANISATION DE LA THESE 0 CHAPITRE. LES INSTALLATIONS A GAZ 3. LE PROJET LHC GAS CONTROL SYSTEM 3. LES SYSTEMES A GAZ 3.. STRUCTURE ET DESIGN 4.. FONCTIONNEMENT 5 3. LES REGULATIONS ASSERVISSEMENT EN CASCADE DU DEBIT DES GAZ PRIMAIRES DANS LE MIXER REGULATION EN PRESSION DE LA SORTIE DU DETECTEUR - ASSERVISSEMENT DE LA PRESSION EN GENERALE MODULE PUMP, DISTRIBUTION ET EXHAUST ASSERVISSEMENT EN TEMPERATURE DES COLONNES DU MODULE PURIFIER ET DU MODULE CO ABSORBER ASSERVISSEMENT EN HUMIDITE DANS LE MODULE HUMIDIFIER. 4. LE SYSTEME DE CONTROLE 5. CONCLUSION 3 CHAPITRE. MODELISATION ET IDENTIFICATION DES SYSTEMES A GAZ 7. INTRODUCTION 7. LES MODELES 9.. LES MODELES DE CONNAISSANCE 9.. LES MODELES DE COMPORTEMENT 3.3. CHOIX POUR LA MODELISATION DES BOUCLES DE REGULATION DU PROJET GAZ L'IDENTIFICATION DU MODELE POUR LE PROJET GAZ LES METHODES GRAPHIQUES LES METHODES PARAMETRIQUES VALIDATION ET ESTIMATION DU MODELE IDENTIFIE IMPLEMENTATION ET OUTILS D ANALYSE POUR LES SYSTEMES A GAZ 47

8 ii 4.. L ACQUISITION DES DONNEES LA DETERMINATION DE LA COMPLEXITE DU MODELE L IDENTIFICATION PARAMETRIQUE LE SIGNAL D EXCITATION LA VALIDATION DU MODELE APPLICATION : RESULTATS D IDENTIFICATION EN LIGNE SOUS AUTOMATES POUR LA MODELISATION ET L IDENTIFICATION DE LA PRESSION DETECTEUR D'ALICE TPC DETERMINATION DE LA COMPLEXITE DU MODELE IDENTIFICATION AVEC LES MCR, MCE ET MVR VALIDATION CHOIX FINAL CONCLUSION 60 CHAPITRE 3. CORRECTION DES SYSTEMES A GAZ 63. LE CORRECTEUR PID 64. LE PREDICTEUR DE SMITH 65.. HISTORIQUE 65.. CHOIX ET PRINCIPES POUR LE PROJET GCS LA COMMANDE PREDICTIVE FONCTIONNELLE PRINCIPES RESOLUTION: EXEMPLES REGLAGE DE LA PFC LA COMMANDE PREDICTIVE GENERALISEE PRINCIPES DE LA MISE EN ŒUVRE DE LA GPC REPRESENTATION MATRICIELLE ET CALCUL DE LA COMMANDE OPTIMALE DE LA GPC LE REGULATEUR RST PRINCIPE LE PLACEMENT DE POLE ET LA POURSUITE APPLICATIONS : REPRESENTATION RST DE LA COMMANDE PREDICTIVE GENERALISEE IMPLEMENTATION DES ALGORITHMES AVANCES DANS L AUTOMATE : RESULTATS LE PREDICTEUR DE SMITH LA COMMANDE PREDICTIVE FONCTIONNELLE GENERALISEE LA COMMANDE PREDICTIVE GENERALISEE LE CORRECTEUR RST RECAPITULATIF 0 7. CONCLUSION 03 CHAPITRE 4. INTEGRATION DES ALGORITHMES DE CONTROLES AVANCES AVEC DEUX METHODOLOGIES NOUVELLES DE L INFORMATIQUE INDUSTRIELLE 07. LES METHODOLOGIES NOUVELLES POUR L'INFORMATIQUE INDUSTRIELLE 07

9 .. LE FRAMEWORK 08.. LE MODEL DRIVEN ENGINEERING ET LE MODEL DRIVEN ARCHITECTURE ENSEIGNEMENTS POUR LE CONTROLE COMMANDE UNE NOUVELLE GESTION DE PROJET 0.5. IMPLICATION : L APPROCHE OBJET DANS LE PLC 0. LE FRAMEWORK UNICOS ET LE MODEL DRIVEN DU PROJET GAZ AU CERN.. LES OBJECTIFS ET SOLUTIONS DU PROJET GAZ.. LE FRAMEWORK ET L APPROCHE MODEL DRIVEN DU PROJET GAZ 5 3. L OBJET MULTICONTROLLER DANS LE PROJET GAZ PRINCIPES ET FONCTIONS DU MULTICONTROLLER DESIGN DU MULTICONTROLLER UTILISATION DU MULTICONTROLLER DANS L AUTOMATE LE FUTUR AVEC LE MULTICONTROLLER 3 4. CONCLUSION 36 CONCLUSION 37 ANNEXES 39 ANNEXE A LE KIT D OUTILS D AUTOMATIQUE SOUS AUTOMATE SCHNEIDER UNITYV. OBJETS DFB 4 ANNEXE B GPC- EXEMPLE D UNE MISE EN ŒUVRE PRATIQUE 53 ANNEXE C ALGORITHMES AVANCES DE REGULATION DANS L AUTOMATE SCHNEIDER UNITYV. OBJETS DFB 57 ANNEXE D MULTICONTROLLER DANS L AUTOMATE SCHNEIDER UNITYV. OBJETS DFB 65 ANNEXE E METHODES D IDENTIFICATION ET DE MODELISATION GRAPHIQUES 69 BIBLIOGRAPHIE 73 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 73 SOURCES INTERNET 77 RESUME 80

10 iv Lise des Figures Figure Le LHC Large Hadro Collider das le paysage Fraco-suisse...5 Figure Le pricipe d accéléraios successives des proos pour le LHC...6 Figure 3 Les uare Expérieces pricipales du LHC...7 Figure 4 L API das le sysème auomaisé....8 Figure 5 U sysème à gaz de base pour le LHC...4 Figure 6 U sysème à gaz ypiue des Expérieces du LHC...5 Figure 7 Le module de mélage Mixer d u sysème à gaz...6 Figure 8 Vue d u rack du module de Disribuio d u sysème à gaz...7 Figure 9 Le module de recirculaio Pompe d u sysème à gaz...7 Figure 0 Le module de Purificaio Purifier d u sysème à gaz...8 Figure Le module d aalyse de ype A d u sysème à gaz...9 Figure Boucle de régulaio du raio das le module Mixer...0 Figure 3 Corôle de la pressio du sous-déeceur via la vae de régulaio e sorie des racks du module de Disribuio... Figure 4 Corôle de la pressio du sous-déeceur via la vae de by-pass du module Pump... Figure 5 Corôle e empéraure des carouches du module de purificaio... Figure 6 Le sysème de corôle d u sysème à gaz des Expérieces du LHC...3 Figure 7 - Les variables du modèle de coaissace...30 Figure 8 Exemple : sysème e représeaio d éa...30 Figure 9 Pricipe de l ideificaio process e de sa validaio...44 Figure 0 Pricipe de focioeme de DaaSore source Scheider...48 Figure Vue de DaaSore e mode de lecure/eregisreme source Scheider...48 Figure Obe sous auomae pour le es des RDI e RI...49 Figure 3 Obes sous auomae pour l ideificaio paramériue sous UiyV Figure 4 Obe sous auomae pour la gééraio de rois échelos successifs pour l exciaio du sysème...50 Figure 5 Obes sous auomae pour la validaio du modèle ideifié...5 Figure 6 Le module Pompe du sous déeceur ALICE TPC...5 Figure 7 Mesures pressio Déeceur ALICE TPC...5 Figure 8 Tes des RDI sous Uiy...53 Figure 9 Tes des RDI sous Malab...53 Figure 30 - Déermiaio e lige du l ordre du modèle e lige sous Uiy pour la pressio déeceur d Alice TPC...54 Figure 3 Ideificaio e lige sous auomae MCR, MCE, MVR pour la pressio déeceur d Alice TPC...55 Figure 3 Simulaios des modèles sous auomaes pour la validaio pressio déeceur d Alice TPC56 Figure 33 Pressio Déeceur ALICE TPC, Ideificaio MCR...56 Figure 34 Pressio Déeceur ALICE TPC, Ideificaio MCE...56 Figure 35 Pressio Déeceur ALICE TPC, Ideificaio MVR...57 Figure 36 Tes de blacheur e lige sous auomaes programmables pressio déeceur d Alice TPC 58 Figure 37 Résulas du es de blacheur sous auomae pour la pressio déeceur d Alice TPC...58 Figure 38 Pressio Déeceur ALICE TPC, Ideificaio MCE e MVR, évoluio de b...59 Figure 39 Pressio Déeceur ALICE TPC, Ideificaio MCE e MVR, évoluio de c...59 Figure 40 Acios élémeaires du correceur PID...64

11 Figure 4 Pricipe du Prédiceur de Smih...66 Figure 4 Schéma focioel du Prédiceur de Smih pour u secod ordre sable...67 Figure 43 Aure schéma focioel du Prédiceur de Smih...67 Figure 44 Prédiceur de Smih de Maausek...68 Figure 45 Pricipe de la commade prédicive focioelle PFC...70 Figure 46 Performaces de la PFC e paramérages du régulaeur [Ric93]...75 Figure 47 Srucure du régulaeur RST...8 Figure 48 Srucure RST du corôleur GPC...84 Figure 49 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème sable du premier ordre avec reard relevé sorie du sysème mesure...85 Figure 50 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème sable du premier ordre avec reard relevé sorie du sysème mesure...85 Figure 5 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème sable du premier ordre avec reard relevé sorie du régulaeur commade...86 Figure 5 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème sable du premier ordre avec reard relevé sorie du régulaeur commade...86 Figure 53 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème sable du deuxième ordre avec reard relevé sorie du sysème mesure...87 Figure 54 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème sable du deuxième ordre avec reard relevé sorie du sysème mesure...88 Figure 55 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème sable du deuxième ordre avec reard relevé sorie du régulaeur commade...88 Figure 56 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème sable du deuxième ordre avec reard relevé sorie du régulaeur commade...89 Figure 57 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème iégraeur avec reard relevé sorie du sysème mesure...90 Figure 58 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème iégraeur avec reard relevé sorie du sysème mesure...90 Figure 59 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème iégraeur avec reard relevé sorie du régulaeur commade...9 Figure 60 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème iégraeur avec reard relevé sorie du régulaeur commade...9 Figure 6 Correcio avec u Prédiceur de Smih d u sysème sable du premier ordre le foreme reardé - sorie régulaeur e sorie sysème...9 Figure 6 PFC gééralisée roisième ordre - répose idicielle du sysème pour la déermiaio des y i...93 Figure 63 Correcio avec la PFC gééralisée roisième ordre sorie régulaeur e sorie sysème...94 Figure 64 PFC gééralisée uarième ordre - répose idicielle du sysème pour la déermiaio des y i...95 Figure 65 Correcio avec la PFC gééralisée uarième ordre sorie régulaeur e sorie sysème..95 Figure 66 Correcio avec la GPC roisième ordre sorie sysème...97 Figure 67 Correcio avec la GPC roisième ordre sorie régulaeur Figure 68 Correcio avec la GPC uarième ordre sorie sysème Figure 69 Correcio avec la GPC uarième ordre sorie régulaeur...99 Figure 70 Correcio RST Placeme de pole avec modèle de poursuie sorie sysème...00 Figure 7 Correcio RST Placeme de pôles avec modèle de poursuie sorie régulaeur...0 Figure 7 Correcio RST Placeme de pôle avec modèle de poursuie Comparaiso de la sorie sysème sous Malab e sous Auomae...0

12 vi Figure 73 - Tableau récapiulaif des régulaios implémeées das l auomae programmable pour les sysèmes à gaz...03 Figure 74 MDA : Méa modèle e modèles spécifiues...09 Figure 75 Raisoeme par opios : exemple de pricipe... Figure 76 L approche modulaire du sysème à gaz...3 Figure 77 La hiérarchisaio à rois iveaux das le PLC avec le framework UNICOS...4 Figure 78 Le code auomae das u auomae pour le proe gaz...6 Figure 79 Pricipe de gééraios des composa SCADA du framework LHC GCS...7 Figure 80 Pricipe simple du framework LHC GCS e de ses ouils...7 Figure 8 framework e Model Drive pour le proe GCS...8 Figure 8 Le MuliCoroller : u moye d iroduire des algorihmes avacés e éablissa le lie ere les divers orgaes de l auomaisme idusriel...9 Figure 83 Les modes du MuliCoroller e leur focioeme... Figure 84 Les comporemes du MuliCoroller e leur focioeme...3 Figure 85 Le focioeme du Trackig das le MuliCoroller...4 Figure 86 Orgaisaio du code Uiy du MuliCoroller pour les auomaes Scheider...5 Figure 87 Pricipe d ecapsulaio des algorihmes de régulaios das le MuliCoroller sous Uiy...6 Figure 88 Vue pricipale Saus de l ierface du MuliCoroller das le SCADA PVSS...7 Figure 89 - Vue des courbes de edaces Treds de l ierface du MuliCoroller das le SCADA PVSS...8 Figure 90 - Vue du paeau des paramères de l ierface du MuliCoroller das le SCADA PVSS...9 Figure 9 Programmaio simple e lagage FBD Uiy d ue régulaio avec le MuliCoroller...30 Figure 9 Programmaio simple e lagage Srucuré ST Uiy d ue régulaio avec le MuliCoroller...3 Figure 93 Exemple d uilisaio du MuliCoroller : corôle adapaif das l auomae programmable Scheider pricipe...33 Figure 94 Uilisaio du MuliCoroller : corôle adapaif das l auomae programmable Scheider Programme auomae...34 Figure 95 Exemple d uilisaio du MuliCoroller : corôle adapaif das l auomae programmable Scheider Sorie sysème...35 Figure 96 Exemple d uilisaio du MuliCoroller : corôle adapaif das l auomae programmable Scheider Commade sysème...35

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14 viii

15 Préambule L'auomaiue es ue sciece de l'igéieur ui a pour bu maeur de résoudre des problémaiues d'aalyse, de modélisaio e d'ideificaio e vue d'élaborer des commades adapées. Les ouils idusriels à disposiios s'appuie sur les echologies de programmaio pour corôleurs ou microprocesseurs ui assure u raieme ceralisé des auomaismes. L'iformaiue idusrielle es de l'iformaiue appliuée pour la cocepio des sysèmes auomaisés idusriels. Elle assure la cocepio, la réalisaio programmes e l'ierfaçage de l'esemble des élémes cosiuifs des auomaismes Les auomaes programmables idusriels ua à eux so le cœur du sysème auomaisé das ombres d auomaismes d auourd hui. Ils so robuses, modulaires e répode à des exigeces echiues commuéme appréciées. Leurs srucures e leurs sofwares de développeme so soumis à des sadards de diverses aures. Ils permee le développeme avec des lagages ormalisés e assure doc ue ceraie homogééisaio des codes sources du corôle-commade. Grace à cee covergece des lagages de programmaio, les applicaios auomaisées e so améliorés. O parle de régulaios avacées pour auomaes, les algorihmes de commade ui so au-delà des méhodes classiueme mises à disposiio das l auomae. Les méhodes so ombreuses e variées : elles e répode pas oues aux mêmes spécificiés e leurs syhèses peuve êre radicaleme différees. Leurs implémeaios so doc suees aux exigeces des différees approches de mise e œuvre. La aille e la ualié reuise des applicaios o fai développer des soluios iformaiues supplémeaires permea la réalisaio plus efficace des sysèmes auomaisés idusriels. Par exemple l'émergece des frameworks ou 'caevas' de développeme o vu le our pour répodre plus pleieme à ce souci d'opimisaio. De ce fai, cerais coceps vea du géie iformaiue ispire l'iformaiue idusrielle. Travailler avec des ouils e des soluios évoluées 'es pas écessaireme u gage de simplicié. Ceci 'es pas sas coséueces pour l'auomaicie. Il doi ouours cocevoir ses auomaismes e faire de la régulaio idusrielle. La problémaiue des ravaux préseés ici es de deux ordres. Le premier eeu réside e l implémeaio d algorihmes avacés de régulaio das u auomae programmable idusriel uilisa les sadards de programmaios idusrielles orme CEI 63-3.

16 x Ce axe de ravail s accompage d éudes e de réalisaios sous auomaes pour l ideificaio e la modélisaio de processus à corôler. Le deuxième eeu de ravail es aea au précéde : il cosise e l'éude e l'uilisaio de deux approches récees de l'iformaiue idusrielle framework de développeme e la réalisaio dirigée par les modèles e vue d y iclure les régulaios avacées pour auomaes. Pour résumer, cee hèse a pour bu de morer la mise e œuvre pour u auomae programmable idusriel d'algorihmes de corôles avacés, d ideificaio e de validaio suiva ces ouvelles méhodologies de développeme. Efi ces ravaux de hèse s'iscrive das u coexe de recherche appliuée au CERN Cere Europée pour la Recherche Nucléaire. Le proe coceré par la hèse es le proe LHC Gas Corol Sysem des Expérieces du ouvel accéléraeur.

17 Iroducio INTRODUCTION. Obecifs de la hèse. Coexe de ravail au CERN 3. Coexe de développeme 4. Ea de l ar 5. Orgaisaio de la hèse 6. Coclusio

18 Iroducio

19 Iroducio 3 Iroducio Obecifs de la hèse Les ravaux de hèse se so effecués au CERN. Le Laboraoire Europée pour la Physiue des Paricules, es l'u des ceres de recherche les plus presigieux du mode. So domaie d'acivié es la physiue fodameale ui s'aache à découvrir comme focioe ore uivers, d'où il vie e où il va. Le CERN uilise uelues-ues des machies les plus grades e les plus complexes du mode pour éudier les plus miuscules cosiuas de la aure. Cee hèse s'iscri das le cadre de l'aalyse e de la cocepio de commades avacées pour les sysèmes à gaz des déeceurs e sous déeceurs des expérieces du ouvel accéléraeur cosrui au CERN LHC : Large Hadro Collider. Les éudes o éé élaborées au CERN e collaboraio avec les éuipes e charge de la fabricaio, de la réalisaio du corôle-commade, de la mise e service e de la maieace de l'esemble des 3 isallaios à gaz cocerées. La paricularié des ravaux de hèse viee du coexe foreme idusriel des soluios uilisées e d u eviroeme de recherche appliuée. Les obecifs visés par la hèse so résumés sous uare aspecs : Le premier obecif cosise e la syhèse e la mise e œuvre d'algorihmes de régulaios avacées das u ouil idusriel avec des coraies fores de développeme e d iégraio. Les ravaux suive des approches sophisiuées du géie logiciel appliuées à l'iformaiue idusrielle. Ue parie supplémeaire es dédiée à l ideificaio e à la modélisaio des sysèmes à gaz. Le deuxième aspec réside par l'éude e l'acuisiio des ouvelles orieaios de développemes pour la réalisaio des applicaios corôle-commade des processus gazeux des expérieces du CERN. Cee éape es idispesable pour le succès de la hèse. Esuie, le roisième sue sous ace à l aspec précéde es l'éude des méhodologies Framework e Model Drive appliuées à l'iformaiue idusrielle.

20 4 Iroducio Efi l obecif global de cee hèse es de répodre à u besoi fodameal des sysèmes à gaz : mere à disposiio des expers process, des soluios de régulaios permea de résoudre des problèmes complexes o solvables avec le simple PID. Ce obecif sous eed la mise e œuvre d u disposiif covivial d uilisaio des algorihmes e d ue sesibilisaio des uilisaeurs ui sero ameés à régler les processus gazeux des Expérieces du CERN. Cee réalisaio s iègre aux exigeces du Framework e du Model Drive. Coexe de ravail au CERN Le CERN, l'orgaisaio Européee pour la Recherche Nucléaire, fu créé e 954 par ue coveio ere éas europées. L'obecif de cee coveio éai de mere e commu les moyes humais, echiues e fiaciers de chaue pays afi de cocevoir e d'uiliser de grads isrumes pour la physiue ucléaire e la physiue des paricules. Le CERN compe auourd'hui 0 éas membres e 8 éas observaeurs. L orgaisaio es siuée sur la froière fraco-suisse aux eviros de Geève. Le CERN emploie auourd'hui eviro 500 persoes ui couvre u large éveail de compéeces e de méiers : physicies, igéieurs, programmeurs, echicies, ouvriers ualifiés, admiisraeurs, secréaires, ec... D'aure par, eviro 6500 scieifiues, soi la moiié des physicies des paricules au mode, viee au CERN pour leur ravail de recherche. Ils représee 500 uiversiés ou isius e plus de 80 aioaliés. E provoua des collisios ere les ifimes paricules de maière, les physicies démêle les lois ui régisse la aure. Les machies du CERN so des accéléraeurs e des déeceurs de paricules. Le CERN es égaleme u cere muli-compéeces ui a permi de coribuer aciveme aux avacées echiues das ombres de domaies. O rouve ere aure l'imagerie médicale e le World Wide Web. Les chambres proporioelles muli-fils iveées e 968 par Georges Charpak, prix Nobel de physiue 99 pour déecer des paricules so désormais uilisées e médecie e e biologie. Le World Wide Web a éé origielleme coçu e développé à la fi de 990 par Tim Berers-Lee pour pouvoir parager à ou isa des iformaios ere physicies ravailla das différees uiversiés e isius aux uare cois du mode. Le Web a maiea des millios d'uilisaeurs aussi bie das le milieu académiue ue commercial.

21 Iroducio 5 L esemble des accéléraeurs du CERN es ariculées auour de uare machies pricipales. La plus aciee, le sychroro à proos PS, cosrui das les aées 50, a éé brièveme l accéléraeur le plus puissa du mode. Le supersychroo à proos SPS, cosrui das les aées 70, a éé le héâre du premier prix Nobel du CERN das les aées 80. Le grad collisioeur élecro-posiro LEP e service de 989 à 000. Mais ce derier es resé limié e éergie 08 GeV das le cere de masse aei e ocobre 000 e e lumiosié, alors ue la ouvelle physiue pourrai se siuer, d'après la héorie, à ue échelle d'éergie de l'ordre du TeV. La cosrucio du LHC Large Hadro Collider fu doc erepris. Le collisioeur LHC es isallé das le uel du LEP do la circoférece es de 6,7 km e ui es eerré à ue profodeur varia ere 50 e 70 m. LHC Large Hadro ~ 6.5 km Figure Le LHC Large Hadro Collider das le paysage Fraco-suisse Le LHC bééficie de la chaîe d'accéléraeurs du CERN : les proos so accélérés par paues das l'accéléraeur liéaire LINAC usu'à 50 MeV, puis das le Booser usu'à GeV, esuie das le sychroro à proos PS usu'à 6 GeV, e efi das le super sychroro à proos SPS usu'à 450 GeV ava d'êre iecés das le LHC e deux faisceaux de ses coraire accélérés à ue éergie de 7 TeV par proo, ce ui doe ue éergie maximale das le cere de masse de 4 TeV.

22 6 Iroducio Figure Le pricipe d accéléraios successives des proos pour le LHC Les performaces d'u el accéléraeur o deux grades caracérisiues : l'éergie das le cere de masse e la lumiosié. Pour aeidre des éergies e ue lumiosié amais obeues usu'à prése, le LHC fai appel à ue echologie de poie das de ombreux domaies. Les deux faisceaux de paricules du LHC circule chacu das u ses de l'aeau souerrai du LEP/LHC. Ce aeau circulaire se siue e grade parie e Frace e les paricules peuve collisioer e hui pois, pois où so siués les sies d'expérieces : les uare Expérieces du LEP Delphi, L3, Opal e Aleph e les uare Expérieces du LHC CMS, ATLAS, ALICE e LHCb. Les Expérieces du LHC ressemble à des oigos cylidriues, aussi gros ue cerais immeubles e remplis de sysèmes élecroiues sophisiués. Les collisios se produise exaceme au cere de l Expériece e les diverses couches du déeceur e sous-déeceur mesure les différees propriéés des paricules émergees. Au plus près du faisceau se rouve doc des déeceurs serva à eregisrer les races des paricules issues de la collisio, e à suivre leurs raecoires. Viee esuie les éuipemes de mesure de l éergie, les calorimères, das lesuels la plupar des paricules fiisse leur parcours. La couche exérieure de l oigo se compose elle aussi de raecographes permea d ideifier oue paricule déecable arriva aussi loi. U aima iègre das le déeceur les raecoires des paricules chargées das les raecographes ieres e coribue à l ideificaio des différes ypes de paricules. Chaue Expériece es composée de déeceurs e sous-déeceurs. Chacu d ere eux es différe par so rôle e sa echologie. Par coséue ue Expériece es pas uiueme u assemblage de déeceurs mais pluô u esemble cohére de

23 Iroducio 7 machieries, d élecroiues, d iformaiue, ec., dédiés à la mise e œuvre de déeceurs e sous-déeceurs. ATLAS LHCb ALICE Figure 3 Les uare Expérieces pricipales du LHC Le coexe de ravail de hèse au CERN cocere l esemble des sysèmes de corôle commade des sous déeceurs des Expérieces écessia des mélages gazeux. Ce esemble représee 3 isallaios réparies sur les uare Expérieces du LHC. Coexe de développeme Les auomaes programmables idusriels API ou PLC s aache au corôle des procédés e gééra des sigaux de corôles e e acuéra des doées direceme sur le processus. L archiecure maérielle es classiueme composée d ue ierface d erées-sories, d u processeur, de mémoires, e de modules de commuicaio. L API es rès souve associé à ue ierface homme machie Huma Machie Ierface HMI e des orgaes exeres. La figure ui sui résume simpleme le focioeme de l API das ue isallaio auomaisée.

24 8 Iroducio Figure 4 L API das le sysème auomaisé. Remarue : o parle sas disicio d auomae programmable ou de PLC Programmable Logic Coroler. Les ravaux de hèse d implémeaio auomae suive la orme CEI-63 relaive à la spécificaio e à l archiecure des lagages de programmaio [Vei]. Cee orme se déclie e sous-parie do la orme CEI 63-3 ui cocere les lagages eux-mêmes e leurs élémes commus [Jim]. Les uare lagages sadards auomaes décris par cee orme so : Le lagage exuel de lise d isrucio IL Isrucio Lis Le lagage exuel de exe srucuré ST Srucured Tex Le lagage graphiue de schéma à relais LD Ladder Diagrams Le lagage graphiue de diagrammes de blocs focioels FBD Fucioal Block Diagrams Ces lagages so reliés par les uiés de programmaio, ce ui sigifie ue oue implémeaio das u lagage peu êre uilisée das l u des rois aures lagages. Cee caracérisiue fore de la orme auorise doc des sraégies de développeme diverses pour assurer des focioaliés semblables. L iérê e le choix d u lagage par rappor à u aure es à l appréciaio du développeur auomae.

25 Iroducio 9 Pour garair la compaibilié, les uare lagages o doc des élémes commus ui so [Jim]: Les ypes de doées e les variables élémeaires ou srucurées Les Uiés d Orgaisaio de Programme UOP ui commuiue grâce à des variables d ierface d erées/sories ou des variables globales. Les diagrammes focioels e séueces SFC Seueial Fucio Chars. Les ravaux d implémeaio auomaes préseés das cee hèse suive la orme CEI Les obes UOP o éé développés avec le lagage ST. Les ess ua à eux uilise fréuemme le lagage FBD ui perme la visualisaio rapide des variables e le forçage simple de uelues valeurs. La plupar des résulas o éé obeus avec u auomae programmable idusriel ype Premium de Scheider via le sofware de développeme UiyV.. Le proe de corôle commade des sysèmes à gaz GCS : Gas Corol Sysems uilise des méhodes ouvelles de réalisaio. Le Framework de développeme es u cadre défii pour la cosrucio des applicaios de corôle commade des 3 isallaios à gaz. Uilisa ue approche obe das l auomae programmable e das le SCADA, le proe GCS es cosiué d ouils logiciels dédiés aux auomaismes. Ue approche de développeme dirigée par les modèles Model Drive es égaleme uilisée pour ue réalisaio à u iveau supérieur des applicaios fiales. Ea de l ar Les sysèmes à gaz des déeceurs els ue ceux des Expérieces du CERN e so pas ouveaux. Cepeda les sysèmes de corôle uilisa des soluios idusrielles exisaie pas ou parielleme. La liéraure à ce sue es uasi iexisae e il y a pas forcéme de documes pouva servir de base aux éudes ici préseées. Les sysèmes de corôle-commade des isallaios à gaz des Expérieces du ouvel accéléraeur so ue première réalisaio e ce ui cocere les ouils uilisés. Les auomaes programmables idusriels s éa foreme développés dura les aées 90, il s avère ue cee soluio d auomaisme soi ouvelle e ce ui cocere les déeceurs à gaz de paricules. Par ailleurs les soluios de développemes els ue le Framework de ravail e la réalisaio dirigée par les modèles so des sraégies oaleme ovarices pour le domaie du corôle-commade idusriel.

26 0 Iroducio Orgaisaio de la hèse La mémoire de hèse se décompose e uare chapires. Le premier chapire décri le cadre du ravail de hèse. Das ce chapire e m aache à exposer e déail le coexe praiue des ravaux de hèse. Je présee oamme le CERN, le ouvel accéléraeur de paricule e cosrucio e les Expérieces de physiue fodameale de la machie. Je m aache esuie à expliuer le proe Gaz des Expérieces avec le corôle-commade associé. Les srucures e le desig des isallaios à gaz so aussi abordés afi d exprimer les problémaiues d implémeaio des régulaios avacées. Le deuxième chapire s iéresse aux echiues de modélisaio e d ideificaio des processus à réguler. Au ravers d ue éude syhéiue sur les modèles, expose das cee parie les bases écessaires à la prise de décisio pour la modélisaio des processus gazeux des boucles de régulaio du proe gaz des Expérieces du CERN. J aborde l ideificaio des processus avec comme obecif de morer les résulas e les ouils développés pour les auomaes programmables idusriels du proe Gaz. Le roisième chapire es cosacré à la correcio des sysèmes. Ce chapire es la suie logiue de l ideificaio. Je présee les divers algorihmes avacés de régulaio ue ai implémeés das l auomae programmable. Das cee parie du mémoire expose les résulas des algorihmes ue ai développés sur u auomae de marue Scheider Premium sous UiyV. Le uarième chapire raie de l iégraio des algorihmes de corôles avacés das le framework de développeme du proe suiva ue réalisaio dirigée par les modèles. Je réalise u développeme à ce sue afi d apporer des eseigemes sur l ifluece de l igéierie iformaiue sur l iformaiue idusrielle. Das cee derière parie, e présee efi les choix ue ai fais pour iégrer des régulaios avacées pour le proe Gaz. J ai aisi ravaillé par le biais d u obe ue ai spécialeme pesé pour répodre aux problémaiues du framework e du développeme dirigé par les modèles : le MuliCoroller.

27 Les isallaios à gaz CHAPITRE LES INSTALLATIONS A GAZ. Le proe LHC Gas Corol Sysem. Les sysèmes à gaz 3. Les régulaios 4. Le sysème de corôle

28 Les isallaios à gaz

29 Les isallaios à gaz 3 Chapire. Les isallaios à gaz Das ce Chapire expose le coexe de ravail de la hèse au CERN. L obecif es de morer la complexié des isallaios à gaz, ui écessie de mere e œuvre des soluios de corôle commade efficaces les régulaios avacées faisa paries de ces soluios. Aisi aborde le proe das leuel ai paricipé. J expliue le focioeme des isallaios aisi ue le Desig des srucures. Je déaille esuie l esemble des boucles de régulaio des sysèmes avec leurs exigeces. Efi e coclus cee parie sur le sysème de corôle idusriel uilisé pour le proe.. Le proe LHC Gas Corol Sysem Le développeme e la maieace des sysèmes de corôle des uare Expérieces du LHC du CERN reuière des ressources o égligeables. For d ue grade expériece avec le LEP, le CERN fu corai de remaier la faço d aborder la cosrucio du LHC e regroupa les compéeces, e cordoa les âches d ue maière plus ceralisée e vue d ue ceraie homogééisaio des isallaios. Le proe JCOP Joi Corol Proec fu créé au CERN das le bu de rouver des soluios commues de corôle pour l esemble des Expérieces du ouvel accéléraeur. Das ce coexe le proe LHC Gas Corol Sysem a éé mis e place pour fourir l esemble des applicaios de corôle pour les 3 sysèmes à gaz du LHC.. Les sysèmes à gaz Les sysèmes à gaz du LHC o pour obecif simple de fourir aux déeceurs e sousdéeceurs des mélages gazeux maieus das des codiios physiues de focioeme bie spécifiues. Pour résumer le focioeme de base, u sysème à gaz du LHC es coçu e boucle uasi-fermée pour la circulaio du fluide. A parir des liges primaires il lui fau u mélageur pour auser la mixure demadée Mixer. Le mélage gazeux doi êre disribué das les chambres du volume déeceur.

30 4 Les isallaios à gaz U sysème de Buffer volume ampo doi auser le flux e focio des flucuaios amosphériues e des aléas du process. Efi le circui fermé es mis e place grâce à ue pompe de circulaio. La pompe es cepeda pas ouours idispesable pour les peis sysèmes : le flux es alors assuré par u différeiel de pressio maieu le log du circui à gaz. Figure 5 U sysème à gaz de base pour le LHC Quelle ue soi la cocepio du volume du déeceur, celui-ci es pas éache à 00%. Ce cosa simple expliue les raisos de la circulaio pour le maiie du mélage gazeux à des iveaux cosas. Par exemple, de l air péère das le mélage iere gazeux du déeceur adis ue celui-ci «perd» de so mélage à l exérieur. Il y a comme u éuilibrage aurel ui se fai das le emps. Tou l eeu des sysèmes à gaz du LHC es de préserver u mélage gazeux cosa das les codiios physico-chimiues voulues... Srucure e Desig Le flux du gaz es assuré par u différeiel de pressio maieu le log du circui à gaz. Ceci es assuré par ue cocepio mécaiue adapée logueur, diamères des liges, pompe, vaes corôlées. Les sysèmes à gaz so ideifiés par des modules de focioeme permea aisi u raieme srucurel efficace de chacu des 3 sysèmes des Expériece du LHC. Par exemple le module Mixer assure le mélage e le débi des fluides gazeux. Le module Disribuio s occupe de la disribuio du mélage au sous-déeceur. La Pompe perme d assurer la circulaio du gaz. Cerais sysèmes possède des élémes supplémeaires ui se greffe sur la boucle du sysème. O peu rouver aisi u module de Purificaio, u module d Aalyse des Gaz, ec.

31 Les isallaios à gaz 5 Figure 6 U sysème à gaz ypiue des Expérieces du LHC.. Focioeme... Le module des gaz primaires Gééraleme il exise u module pour chaue Expériece du LHC. Les gaz so sockés das des boueilles, des baeries de boueilles ou des dewars. Ce sockage es localisé das le bâime de surface e séparé du maériel iformaiue e élecriue Les dewars so habiuelleme sockés e plei air. Par ailleurs des éuipemes sophisiués so isallés à proximié chromaographe, moochromaeur, ec.. Chaue gaz primaire es éuipé de deux sources d alimeaio différees ui assure u basculeme auomaiue e cas de sockage vide pour l u ou l aure. Le corôle des gaz primaires es moioré par des pressios, des swichs de sécurié e des paramères de corôle permea le suivi des variables. U corôle spécial es isallé pour les gaz ui doive êre chauffés au iveau des boueilles.... Le module pour le mélage Mixer Le module Mixer es prése pour chaue sysème à gaz. Le processus es passif. Le mélage peu gérer usu'à rois liges de gaz primaires. Il régule les débis des liges pour arriver à des raios désirés. Le Mixer mélage les gaz de maière urbulee. Tous les Mixers so das le bâime de surface e séparés du maériel iformaiue e élecriue pour des raisos de sécurié.

32 6 Les isallaios à gaz Le mélage es rasporé direceme par u uyau uiue au déeceur ui se rouve das la cavere 00 mères plus bas. Le débi déped de la demade du déeceur e des modules du sysème à gaz coceré. Le Mixer essaye égaleme de maieir ue pressio de focioeme cosae. Figure 7 Le module de mélage Mixer d u sysème à gaz Les pricipaux paramères de corôle du module so des raios, des débis, des déecios de présece de gaz sur les liges e des isrumes idépedas de corôle de composiio du gaz. Ces isrumes so paragés pour plusieurs sysèmes e peuve servir de doées de correcio pour la mixure du déeceur...3. Le module de Disribuio Le module Disribuio es prése pour chaue sysème à gaz. L arrivé du gaz correspod à la sorie du module Mixer. La Disribuio es décomposée e racks. Chaue rack représee ue eceie du déeceur usu'à 6 racks par déeceur. Chaue eceie es décomposée e plusieurs chambres usu'à 36 chambres par rack e usu'à plus de 50 chambres pour le plus gros sysème. La sorie de la Disribuio se cocere e u seul uyau. Les racks de disribuio so sous erre das l Expériece e so oaleme iaccessibles e ouours séparés de l élecroiue e des ordiaeurs. La régulaio de la pressio iere du déeceur peu se faire sur la lige de sorie de la Disribuio. Les chambres so assimilées à des caaux. Chaue sorie de caal peu êre coecée à la chaîe d aalyse ui mesure la ualié du mélage.

33 Les isallaios à gaz 7 Figure 8 Vue d u rack du module de Disribuio d u sysème à gaz..4. Le module Pump e le module Exhaus Le module Pump perme la circulaio du gaz das le circui. C es u éléme acif siué e surface ui es pricipaleme cosiué d ue pompe. Ce module es. So acio se localise e sorie du déeceur e fai le lie ere la haue pressio e la base pressio. La régulaio de la pressio du déeceur peu s effecuer à ce edroi suiva les cofiguraios. Ce module peu égaleme avoir plusieurs archiecures pompe ou ou rie ou aalogiue. Figure 9 Le module de recirculaio Pompe d u sysème à gaz

34 8 Les isallaios à gaz Le module Exhaus perme l évacuaio de la mixure gazeuse du circui pricipal. Cee focioalié es opioelle e focio des sysèmes. Cela perme souve ue flexibilié d opéraio supplémeaire. L Exhaus es logiueme siué e surface...5. Le module de purificaio e d exracio CO Le module de purificaio Purifier ser à cerais sysèmes ui o la écessié de palier à la déérioraio de la ualié du gaz. Ce module es composé de deux coloes pouva focioer e alerace sur le circui. Ce module es localisé e surface e sur la haue pressio pour ue meilleure efficacié de purificaio. La purificaio es réalisée grâce à u age chimiue e ue grille réacive permea l exracio de l eau e de la coamiaio de l oxygèe. Lorsue la coloe cocerée es saurée celle-ci devra passer par ue phase de régééraio à haue empéraure. Pour avoir ue opéraio e u focioeme opimal, les deux coloes assure ue purificaio par leur alerace de focioeme régééraio. Le corôle de ce module es esseielleme assuré par des capeurs de empéraure e de ualié du gaz e erée e e sorie. Ce module a pour paricularié d avoir des séueces de focioeme coséuees ui permee l alerace du focioeme Process des coloes. Figure 0 Le module de Purificaio Purifier d u sysème à gaz Le module d exracio du CO CO removal es réalisé sur le même schéma ue le module de purificaio. Il perme l exracio du CO das la boucle du circui. Il es

35 Les isallaios à gaz 9 égaleme composé de deux coloes pouva focioer e alerace. Ce module es localisé e surface e sur la haue pressio pour ue meilleure efficacié d exracio. La pricipale différece ere ce module e le module de Purificaio es la période de focioeme : le CO removal es e éa de marche sur uelues semaies redémarrage auel alors ue le Purifier marche uasime e coiue. Le corôle d exracio CO es égaleme similaire à la purificaio avec des séueces de focioeme complexes. Les élémes so cosruis sur le même schéma avec des ages acifs différes e uelues éuipemes opioels...6. Le module d aalyse Le module d aalyse cosise e des éuipemes d aalyse de mixures de gaz provea de divers edrois du sysème gaz. Le module es das le bâime de surface. Il es orgaisé e chaîes d aalyse ui peuve êre décomposées e deux ypes. Le ype A correspod à ue sélecio des liges à aalyser par des vaes peumaiues sadards. Le ype B correspod à ue sélecio des liges à aalyser par des vaes spéciales à N- voies. Le corôle de chaue chaîe es idépeda. Figure Le module d aalyse de ype A d u sysème à gaz..7. Le rôle du Buffer Le Buffer perme la compesaio de la différece de pressio amosphériue. L obecif du sysème à gaz es d avoir le déeceur à pressio ambiae. Toue ifime variaio de pressio doi êre compesée régulaio de pressio. Le déeceur es das ue eceie fixe e rigide ui e perme pas l expasio i la compressio du gaz. Si la variaio es rop imporae, le déeceur peu se déériorer. Le Buffer ecaisse les surpressios du déeceur; si le déeceur es e sous pressio celui ci fouri arificielleme le volume de gaz écessaire pour rameer le déeceur à l éuilibre.

36 0 Les isallaios à gaz 3. Les régulaios Les 3 sysèmes à gaz des Expérieces de l accéléraeur so srucurés sur u paro commu l approche modulaire e so par ailleurs ous différes. Il es doc complexe de défiir e déail les boucles de régulaios ui o ue ifluece ceraie sur chaue sysème à gaz. Les sysèmes à gaz défiis précédemme o pour missio de fourir ue mixure gazeuse das des codiios de focioeme prédéfiies. Le desig e les élémes cosiuifs des isallaios assure par eux-mêmes des codiios favorables d exploiaios sas êre pour aua suffisaes pour saisfaire l esemble des besois. L asservisseme de ceraies gradeurs physiues es idispesable. O peu disiguer plusieurs régulaios dies criiues pour le bo comporeme du sysème à gaz. 3.. Asservisseme e cascade du débi des gaz primaires das le Mixer Cee boucle de régulaio es esseielle car elle doi assurer u débi suffisa pour obeir u raio cosa du mélage gazeux. Cee régulaio e cascade es assurée selo le pricipe ci dessous : Figure Boucle de régulaio du raio das le module Mixer 3.. Régulaio e pressio de la sorie du déeceur - asservisseme de la pressio e géérale module Pump, Disribuio e Exhaus. La pressio es sas aucu doue la valeur physiue la plus difficile à maieir aux vues des performaces exigées. Pour ue la déecio des paricules soi boe, la pressio des déeceurs doi êre cosae avec ue précisio souve rès proche du millibar. La moidre variaio de pressio a u effe sur la célérié des paricules raversa le sousdéeceur. Ce phéomèe es rès euyeux pour la periece des mesures faies par les physicies d où la écessié absolue d assurer ue pressio correce. Chaue sysème à

37 Les isallaios à gaz gaz a différees sraégies correspoda à leurs cofiguraios pour fourir ue pressio cosae das le déeceur. La première faço es de coraidre la pressio de sorie PTxx5 e corôla l ouverure des vaes de régulaio e sorie des racks de la Disribuio. PTxx04 P Corôleur PTxx4 P PTxx5 P Shu off Valve PCVxx Vae corôlée mécaiue Chamber Déeceur PCVxx6 Vae corôlée Shu off Valve Figure 3 Corôle de la pressio du sous-déeceur via la vae de régulaio e sorie des racks du module de Disribuio La deuxième maière de procéder es de coraidre la pressio au iveau du module Pump. Cee sraégie uilise la vae de régulaio e by-pass avec la pompe. E oua sur l ouverure de la vae, le débi de gaz e sorie du déeceur e doc de l erée du déeceur e es affecé. La pressio e erée PT4004 peu aisi êre modulée via la vae de by-pass. Figure 4 Corôle de la pressio du sous-déeceur via la vae de by-pass du module Pump Il es égaleme possible de combier les deux vaes sorie rack de Disribuio e bypass de la pompe pour corôler la pressio. Les deux sraégies de corôle de pressio du déeceur e so pas parfaieme isolées de oues perurbaios exérieures. Il es par exemple à oer ue si le module d Exhaus exise, celui-ci oue u rôle acif régulaio cascade sur MFC sur la pressio e sorie du buffer. Cee pressio du buffer peu égaleme êre affecée par les variaios de pressio amosphériue. De cause à effe ue légère variaio de pressio du buffer impliue des perurbaios sur la pressio du déeceur lui-même!

38 Les isallaios à gaz Le moidre chageme de débi ou de cofiguraio ombre de rack coecés, ec iflue sur la pressio iere du déeceur. La régulaio de pressio es sas coese la plus complexe e la plus difficile à mere e œuvre Asservisseme e empéraure des coloes du module Purifier e du module CO absorber. Le module de Purificaio e/ou d exracios de CO es pas prése pour chaue sysème. Il possède cepeda ue régulaio de empéraure ui écessie ue ceraie aeio. E phase de régééraio d ue coloe, la carouche coea l age acif doi êre chauffée usu'à ue empéraure limie peda ue période de emps suffisae. Pour ce faire chaue carouche es muie d u fil chauffa e de rois capeurs de empéraure afi de chauffer suffisamme l iérieur coea l age sas edommager l exérieur. Figure 5 Corôle e empéraure des carouches du module de purificaio 3.4. Asservisseme e humidié das le module Humidifier. L humidificaeur es u module ui a pour rôle d iroduire la uaié appropriée d eau das le processus à gaz. Le module régule le aux d humidié via le débi d eau uilisaio d u MFC. Tous comme le module Mixer, l asservisseme e humidié s effecue grâce à ue régulaio e cascade. 4. Le sysème de corôle Le sysème de corôle du proe Gaz uilise des soluios idusrielles. Ce choix arbiraire perme de cocerer la réalisaio du corôle-commade sur la mise e œuvre e le développeme.

39 Les isallaios à gaz 3 Figure 6 Le sysème de corôle d u sysème à gaz des Expérieces du LHC Les sysèmes de corôles uilise des auomaes programmables idusriels de la marue Scheider ype TSX Premium. Le SCADA associé, fouri par ETM, es PVSS II. La commuicaio ere ces deux deriers orgaes s effecue via le proocole Modbus TCP. L ierfaçage ere le errai e l auomae s orgaise grâce à des modules déporés de marue WAGO. Les modules d erées-sories locales ou déporées Scheider e so pas uilisés e la commuicaio ere les modules WAGO e le TSX Premium es assurée par u module de commuicaio Profibus-DP au iveau du châssis de l auomae. 5. Coclusio Il y a 3 isallaios à gaz pour les Expérieces du LHC. Le proe GCS a pour missio de réaliser le corôle commade de ces sysèmes avec des soluios idusrielles. Les divers élémes cosiuifs d u sysème à gaz écessie de répodre à des coraies physiues e echiues propres. C es e ce ses ue les ravaux de hèse répode à u besoi du proe : mere e place des boucles de régulaio efficaces permea le bo focioeme des 3 isallaios. L eeu des algorihmes avacés es de répodre aux exigeces des expers à gaz dyamiue, robusesse, ec. Pour obeir de bos résulas, les ravaux de hèse s iscrive das les méhodologies de réalisaio du proe. Cocrèeme, la problémaiue revie à doer aux igéieurs de processus, des soluios de corôles avacés pour saisfaire les exigeces e régulaios de leurs sysèmes. Pour le proe GCS, c es créer u service de corôle avacé avec ue sysémiue d implémeaio das le corôle commade.

40 4 Les isallaios à gaz

41 Modélisaio e ideificaio des sysèmes à gaz 5 CHAPITRE MODELISATION ET IDENTIFICATION DES SYSTEMES A GAZ. Iroducio. Les modèles 3. L ideificaio du modèle pour le proe Gaz 4. Implémeaio e ouils d aalyse pour les sysèmes à gaz 5. Applicaio : résulas d ideificaio e lige sous auomaes pour la modélisaio e l ideificaio de la pressio Déeceur d Alice TPC 6. Coclusio

42 6 Modélisaio e ideificaio des sysèmes à gaz

43 Modélisaio e ideificaio des sysèmes à gaz 7 Chapire. Modélisaio e ideificaio des sysèmes à gaz Das cee parie, e raie de l ideificaio e de la modélisaio des sysèmes pour la déermiaio de sraégies spécifiues pour les isallaios à gaz des Expérieces du LHC. J aborde aisi brièveme la oio de modélisaio du poi de vue gééral pour esuie coverger vers l ideificaio des modèles das le coexe du proe GCS.. Iroducio La liéraure sur la modélisaio e l'ideificaio sysème es aussi aciee ue pour le corôle. Les premiers papiers maeurs das les aées sur les réposes fréueielles par Nyuis e Bode more ce iérê précoce. Les ravaux d'ideificaio de Ziegler-Nyuis sur l'éude des réposes idicielles dae des aées 40. Par ailleurs les progrès réalisés das l'ideificaio adapive das les aées 60 o cosidérableme coribué au développeme des éudes das le domaie. Les recherches s'orgaise e e 967 l'ifac Symposium o Ideificaio ad Sysem Parameer Esimaio débue ue série de symposiums ui produise u ombre cosidérable d'aricles sur les aspecs e les problèmes de l'ideificaio sysème. Auourd'hui de ombreux livres e aricles raia de la modélisaio e de l'ideificaio so dispoibles e doe des idicaios praiues ex: [Eyk], [La], [Bor]. Ava de parler de modèles e d'ideificaio, o parle voloiers de sysème. L. Lug [Lu] expliue ue si l'o devai explicier le erme 'sysème', o pourrai le défiir comme éa u obe auuel différees ieracios produise des réacios observables. Il aoue ue la déermiaio de modèles par l'observaio e l'éude des propriéés propres à u sysème es l'essece même de la sciece. Il es effeciveme remaruable de réaliser ue la plupar des ivesigaios scieifiues depuis leurs débus 'o eu pour bu ue de rouver des modèles de représeaio suffisamme uses pour décrire les phéomèes aurels. La visio d'u modèle vrai es doc faussée au regard d'ue démarche arbiraire ui défii u modèle pour u sysème uel u'il soi. Ces derières cosidéraios d'ordre philosophiue soulige le pricipe relaif de modèle e de sa periece vis à vis d'u sysème réel. Toues les démarches ui sero exposées pree e compe ces hypohèses.

44 8 Modélisaio e ideificaio des sysèmes à gaz E se plaça au iveau d'u référeciel corôle-commade, la déermiaio d'u modèle es développée e vue de l'élaboraio du sysème de commade [JMF]. E praiue, la cosrucio d'u modèle s'effecue grâce à la coaissace e à l'observaio des doées du sysème soumis à des simuli erées e à ses réacios sories. L'expériece es égaleme u faceur déermia das ce processus. Le modèle e auomaiue idusriel a pour obecif de décrire le comporeme d'u sysème e vue de la cocepio e de la mise e œuvre praiue d'ue commade [Bor]. Pour ce faire, l'ideificaio s'aache à la déermiaio des caracérisiues d'u modèle, ce ui revie à décrire de maière mahémaiue le comporeme dyamiue e saioaire si il y a lieu d'u sysème. L'ideificaio se résume doc à l'éude e à la cocepio mahémaiue d'u modèle suiva l'observaio, la coaissace e l'expériece acuise sur le sysème. L'ideificaio sysème peu êre cosidérée avec six raiemes différes [Gra76]: La disicio ere sysème liéaire e o liéaire. Tous les sysèmes so aurelleme sriceme o liéaires. U sysème es doc liéaire das la mesure où pour ue zoe de focioeme, o le cosidère suivre u comporeme uasi-liéaire. E liéaire, les pricipes de superposiio so applicables ce ui cofère ue aisace relaive pour l'ideificaio sysème. La différece ere sysème saioaire e o saioaire. La o saioarié 'es pas à cofodre avec la o liéarié. O parle de sysème saioaire d'u sysème ui das ue plage de focioeme doée avec les mêmes codiios physico-chimiue e voi pas ses paramères varier. Cee propriéé es fodameale das la modélisaio e doc pour l'ideificaio. Par simplificaio, o cosidère u'u sysème es saioaire das la mesure où sur le emps écessaire du relevé d'iformaio pour effecuer l'ideificaio, le sysème es saioaire. Les sysèmes coius ou discres. Ce aspec du problème es rareme pris suffisamme e cosidéraio. Bie ue le passage d'ue formulaio coiue à ue formulaio discrèe soi sas difficulé, les implicaios sur le raieme des doées e sur la cocepio de la commade so fores. Le raieme sur la sabilié e la robusesse des sysèmes corrigés es différe suiva ue l o évolue das u eviroeme sriceme coiu ou o, Les auomaes programmables idusriels ravaille e discre. Le raieme moo ou muli variables. Le raieme héoriue du problème moo ou muli variables peu êre similaire sous ceraies codiios. La problémaiue des sysèmes muli variables MIMO réside das

45 Modélisaio e ideificaio des sysèmes à gaz 9 les echiues de réalisaio cocrèe de l'ideificaio algorihmes e programmes complexes. Cepeda les echiues d'ideificaio moo variables rese sigificaiveme plus simples. Le caracère déermiise ou sochasiue d'u processus. E praiue les mesures so coamiées par du brui ou par des problèmes de lissages/filrage mal adapés. O parle d'ideificaio déermiise das la mesure où l'o assume ue les filres, les bruis e aures perurbaios so compesés ou pris e compe. La réalié démore fréuemme ue ce posula doi êre pris avec réserve. Le degré de coaissace a priori du sysème. Ce derier poi es vraisemblableme le mois à égliger. La coaissace e l'expériece so les meilleurs veceurs de réussie. Ils permee d'orieer sur les choix de modélisaio e sur les sraégies d'ideificaio. Das ce ui sui, ous e raieros ue les sysèmes déermiises e saioaires.. Les modèles Das ce chapire e me réfère aux divers modèles ui permee de développer e de cocevoir le sysème de commade. Pour ce faire, les modèles iéressas so ouours de aure à représeer la dyamiue e le régime éabli. E opposiio, les modèles de aure saiue peuve apporer des élémes iéressas comme la recherche de zoe de focioeme. Il exise u grad ombre de ypes de modèles dyamiues, chacu pouva êre desié à des applicaios précises. O peu éamois discerer deux familles: Les modèles de coaissace basés sur les lois de la physiue e de la chimie. Les modèles de comporeme basés sur les doées d'erées/sories.. Les modèles de coaissace Ces modèles so élaborés à parir des lois de la physiue e de la chimie. Les modèles de coaissace assure ue descripio assez complèe des sysèmes. Ils so rès uiles pour la simulaio de processus. La mise e éuaio d'u modèle de coaissace écessie de défiir les phéomèes physiues ue l'o souhaie suivre [JMF]. Cocrèeme cela revie à choisir les variables periees ui représee le processus à corôler. Toues les variables

46 30 Modélisaio e ideificaio des sysèmes à gaz suscepibles d'ierveir e/ou de perurber le sysème doive êre défiies e mises das le modèle de coaissace. Vie esuie l'aalyse précise de chaue variable avec sa focio propre: variables d'éa, variables d'erées maipulées ou de sories mesurables ou o mesurables, variables de perurbaios mesurables ou o mesurables. Figure 7 - Les variables du modèle de coaissace Le pricipe du modèle de coaissace es de rouver les relaios lia l esemble des variables e vue d éablir u esemble d éuaios mahémaiues. La Représeaio d Ea des sysèmes es u ouil puissa permea de modéliser le focioeme de sysèmes liéaires ou o, moo ou mulivariables, e emps coiu ou e emps discre e ui possède e oure, l avaage de coserver la représeaio emporelle des phéomèes [Gra03]. Cee représeaio a comme avaage d êre bie développée pour la résoluio e l éude des problèmes d auomaiues a base de modèle de coaissaces. Exemple : o pred l exemple de la figure ci-dessous avec x, x, sigaux ieres x3 au sysème. O peu aurelleme cocevoir de commader ces différes sigaux par l iermédiaire du sigal d erée e. Le problème de la commade du sysème peu doc se faire par la maîrise simulaée de l évoluio de x, x,. x3 Figure 8 Exemple : sysème e représeaio d éa

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