Proposition de sujet de thèse, Campagne 2017, ED-EEA
Commande distribuée de réseaux de systèmes dynamiques-Application à un système de cogénération
Laboratoire : LAGEP, UMR CNRS 5007

Domaine scientifique principal : Automatique
Domaines scientifiques secondaires : Systèmes énergétiques
Mots clés : Réseaux de systèmes dynamiques, Commande distribuée et coopérative, Méthode d’extremum seeking, Système de cogénération

• Domaine et contexte scientifiques
Ce sujet de thèse s’inscrit dans le thème de la réduction de la consommation des énergies fossiles et dans le cadre des activités de recherche que mène l’équipe DYCOP (Dynamique des Procédés et commande à base de lois de conservation) du LAGEP sur la modélisation et la commande des systèmes énergétiques. Il s’inscrit dans la suite des travaux effectués dans le cadre du projet ANR ACLIRSYS (ANR SEED, ANR-11-SEED-0004-02, Février 2012-Janvier 2016) qui portaient sur la modélisation dynamique d’une pompe à chaleur à compression mécanique couplée à un stockage d’énergie thermique à changement de phase [1,2].
Dans cette thèse, nous nous intéresserons à la commande de réseaux thermiques alimentés par la chaleur fatale récupérée sur des systèmes énergétiques. Cette configuration correspond à un système de cogénération où la demande en énergie électrique est à tout moment satisfaite.
Ces systèmes de cogénération sont principalement constitués de pompes à chaleur mais aussi de procédés de dessalement, de pompe à absorption (pour la climatisation) et de modules de stockage (d’énergie thermique ou bien d’eau douce…). Ces procédés sont couplés par les différents échanges d’énergie et de matière. Une gestion dynamique de ce réseau est donc nécessaire afin de satisfaire les besoins souhaités en climatisation, chauffage et eau douce en tenant compte de l’intermittence de la source thermique, des conditions externes que subissent les différents procédés et de leurs dynamiques fortement non linéaires.

Objectif de la thèse, verrous scientifiques et contribution originale attendue
L’objectif de la thèse est de développer de nouvelles commandes pour les systèmes de cogénération en utilisant une approche de commande distribuée et coopérative. L’approche de commande prédictive centralisée est souvent invoquée pour la commande de ce genre de systèmes complexes. Cette approche consiste en général en l’optimisation d’une fonction coût en tenant compte de l’ensemble des contraintes. Cette méthode est assez couteuse en termes de temps de calcul dans le processus d’optimisation pour qu’elle soit implémentée en temps réel. L’approche de commande distribuée et coopérative permet de pallier à ce problème en développant des commandes locales pour chaque sous-système. Chaque sous-système commandé sera donc considéré comme un agent qui peut interagir (soit par un couplage physique ou par un échange d’informations utilisées dans la commande) avec une partie des agents du réseau de manière à faire émerger une dynamique d’ensemble (consensus) souhaitée. Cette approche a été particulièrement utilisée dans le domaine de la robotique (population de robots avec des dynamiques homogène). L’utilisation de cette approche pour la commande des systèmes de cogénérations, composés de sous-systèmes à dynamiques hétérogènes et fortement non linéaires, constitue une originalité des travaux de cette proposition de thèse. Le verrou scientifique central pour la synthèse de lois de commande distribuées et coopératives est : comment atteindre une dynamique d’ensemble (consensus) désirée par la combinaison des lois de commandes locales synthétisées pour des objectifs locaux avec des règles d’interactions entre les différents sous-systèmes, qui sont aussi à synthétiser. De ce verrou central découlent aussi d’autres problématiques concernant la caractérisation des performances
atteignables pour ce type de lois de commande en terme convergence, robustesse…etc. Cette approche est d’autant plus pertinente car elle permet de relier certaines performances (telle que le temps d’établissement du consensus [7]) directement à la structure d’interaction entre les sous-systèmes représentée généralement par un graphe.

Le travail de thèse se déclinera suivant trois axes :

  • Synthèse de commande distribuée et coopérative : la première partie du travail consiste à prendre en main les outils théoriques permettant de formaliser le problème de commande d’un réseau de systèmes dynamiques (homogènes ou hétérogènes, linéaires et non linéaires) et de faire une recherche bibliographique approfondie sur le sujet. Le formalisme de graphes sera utilisé pour la modélisation des interactions entre les sous-systèmes qui peuvent être fixes ou variables dans le temps (graphes à topologie figée ou dynamique) [7]. Nous nous intéresserons ensuite au développement de méthodes de synthèse de lois commande distribuées et coopératives dans le contexte de système multi-agents. Nous étudierons particulièrement les commandes dites passives en utilisant une représentation hamiltonienne du graphe d’interconnexion via les variables conjuguées de puissance [6,7,8]. Une première approche consiste à utiliser la méthode d’extremum seeking [3,4,5] pour un réseau de systèmes dynamique avec des interactions partielles des sous-systèmes. Cette méthode présente l’avantage d’une possibilité d’implémentation en temps réel mais aussi de l’utilisation de modèles dynamiques simplifiés. Nous nous intéresserons ensuite à l’analyse des propriétés et performances du réseau de systèmes dynamiques commandés par cette approche en les comparant aussi avec celles d’une approche de commande centralisée.
  • Modélisation, simulation: Il s’agit d’écrire un modèle dynamique simplifié d’un procédé d’absorption et d’un procédé de dessalement d’eau de mer et de coupler ces deux modèles avec ceux de la pompe à chaleur et du module de stockage à changement de phase déjà développés durant le projet ANR ACLIRSYS au sein de l’équipe DYCOP. L’ensemble formera un réseau de systèmes dynamiques pour l’exploitation de l’énergie thermique. Ce réseau servira de benchmark pour la suite des travaux de thèse. Un simulateur de ce réseau sera réalisé en utilisant le logiciel Matlab.
  • Application des méthodes de commande sur un procédé de cogénération : Il s’agit ici d’appliquer les méthodes de synthèse de commande distribuée et coopérative pour la commande du benchmark établi en fin des travaux de modélisation. Les objectifs de commande qui seront considérés sont de satisfaire les différents besoins en chauffage, climatisation et eau douce traduits par des profils de consommation sur l’horizon d’une journée en tenant compte des contraintes sur la disponibilité de l’énergie primaire qui peut être représentée d’une manière équivalente comme une contrainte sur le flux de chaleur récupérée.
  • Le doctorant participera aux travaux de l’équipe de recherche DYCOP. Cette équipe mixte (automatique et génie des procédés) est formée de 6 enseignants-chercheurs et de 2 chargées de recherche. Elle vise à développer des travaux à l’interface entre l’Automatique non-linéaire, la commande des systèmes à paramètres distribués et le Génie des Procédés.
    Ces travaux de thèse s’inscrivent dans la thématique de l’énergie et de la gestion dynamique des systèmes énergétiques où les deux compétences « Automatique » et « Génie des procédés » sont requises pour mener à bien ces travaux d’où la présence d’Isabelle Pitault dans la codirection de thèse (voir [9]). Cette thématique représente un enjeu d’avenir important dans lequel la LAGEP pourra apporter des solutions innovantes en se basant sur ces compétences pluridisciplinaires. Elle constitue aussi un cadre idéal pour les collaborations et les interactions interdisciplinaires au sein du laboratoire et l’échelle nationale et internationale.

    Directeurs de thèse et comité d’encadrement
    Directeur de thèse Couenne Françoise (HDR- Automatique, 45%) – couenne@lagep.univ-lyon1.fr
    Co-Directeur de thèse Boussad Hamroun (Automatique, 45%) – boussad.hamroun@univ-lyon1.fr
    Co-Directeur de thèse Isabelle Pitault (HDR- Génie des Procédés, 10%) – pitault@lagep.univ-lyon1.fr

    Les travaux de recherche seront valorisés à travers des présentations à des congrès scientifiques de niveau international et des publications scientifiques dans des revues relevant de l’automatique mais aussi de l’énergétique.
    Le ou la candidat(e) devra posséder de solides connaissances en Automatique non-linéaire et s’intéresser également à la modélisation des systèmes.
    Compétences développées au cours de la thèse et perspective professionnelle
    Le candidat développera lors de ce doctorat des compétences fortes aussi bien en Automatique que dans le domaine de l’énergétique. Les outils et méthodes développés pourront permettre au candidat d’envisager aussi bien de poursuivre une carrière académique, ou de travailler dans l’industrie (R&D en énergétique ou génie des procédés)
    .
    [1] Wu, J., Gagnière, E., Couenne, F., Hamroun, B., Latour, T., Jallut, C. (2015). A hybrid transient model for simulation of air-cooled refrigeration systems: Description and experimental validation. International Journal of Refrigeration, 53, 142-154.
    [2] J. Wu, B. Tremeac, M.-F. Terrier, M. Charni, E. Gagnière, F. Couenne, B. Hamroun, and C. Jallut, “Experimental investigation of the dynamic behavior of a large-scale refrigeration–pcm energy storage system. validation of a complete model,” Energy, vol. 116, pp. 32–42, 2016.
    [3] M. Krstic and H.-H. Wang, “Stability of extremum seeking feedback for general nonlinear dynamic systems,” Áutomatica, vol. 36, no. 4, pp. 595–601, 2000.
    [4] S. Dougherty and M. Guay, “Extremum-seeking control of distributed systems using consensus estimation,” in 53rd IEEE Conference on Decision and Control. IEEE, 2014, pp. 3450–3455.
    [5] M. Guay and T. Zhang, “Adaptive extremum seeking control of nonlinear dynamic systems with parametric uncertainties,” Automatica, vol. 39, no. 7, pp. 1283–1293, 2003.
    [6] R. Olfati-Saber, J. A. Fax, and R. M. Murray, “Consensus and cooperation in networked multi-agent systems,” Proceedings of the IEEE, vol. 95, no. 1, pp. 215–233, 2007.
    [7] Olfati-Saber, Reza, and Richard M. Murray. « Consensus problems in networks of agents with switching topology and time-delays. » IEEE Transactions on automatic control 49.9 (2004): 1520-1533.
    [8] Bürger, Mathias, Daniel Zelazo, and Frank Allgöwer. « Duality and network theory in passivity-based cooperative control. » Automatica 50.8 (2014): 2051-2061.
    [9] Isabelle LATRILLE-PITAULT, « Etude et conception d’un réacteur-échangeur autotherme catalytique pour le stockage embarqué d’hydrogène », Rapport HDR, 3 Juin 2013