Distributed control of dynamical network systems : application to a counter-current heat exchangers network
Commande distribuée de réseaux de systèmes dynamiques : application à un réseau d’échangeurs de chaleur à contre-courant
Résumé
The current industrial context tends to find the most efficient ways to save energy. In this perspective, the optimization of heat exchanger networks in real time and thus the use of control synthesis become a necessity. In this work, our approach is based on a compartmental representation of heat exchangers in finite dimension. The main contributions of modeling concern the iterative construction of heat exchanger models based on the cascade interconnection of elementary blocks (an elementary block corresponds to a compartment of the hot fluid which exchanges heat with a compartment of the cold fluid). This approach also allows to represent the interconnection in series of two exchangers as well as the most common topologies in heat exchanger networks: collectors and splitters. These two topologies correspond to interconnections in parallel on the input and output flows of the exchangers respectively. For the control part, we propose control laws of the inlet flow of the hot fluid, the other inlet being assumed to be fixed. The state representation of the exchangers as well as of the exchanger network lead to bilinear models. The contributions related to the control of the exchangers concern: - Robust stabilization around an operating point of a heat exchanger using the forwarding method on a n-block model. Simulations are proposed on a three-blocks exchanger model using a state observer. The observer uses the measure of the outlet temperature of the two fluids leaving the exchanger. - Two control syntheses are proposed on a parallel exchanger topology. The control objective is to maximize the energy supplied to the customers. The control syntheses are based on the Extremum-Seeking method with a distributed estimator. The estimator allows to compute locally for each agent (in our case, the exchanger and its control) an estimate of the global criterion from the information available at its level as well as those of its neighbors as defined by the communication graph. The syntheses are based on two different scenarios of the communication graph: the first control law is synthetizing in the case where the communication graph is complete and the second one in the case where it is connected. Simulations are proposed on a network of three exchangers for the first scenario and five exchangers for the second.
Le contexte industriel actuel tend à trouver les moyens les plus efficaces pour économiser de l’énergie. Dans cette optique, l’optimisation des réseaux d’échangeurs en temps réel par l’utilisation de lois de commande dynamiques devient une nécessité. Dans ces travaux, notre approche s’appuie sur une représentation compartimentale en dimension finie, des échangeurs de chaleur. Les principales contributions sur la modélisation concernent une construction itérative des modèles d’échangeurs de chaleur sur la base de l’interconnexion en cascade de blocs élémentaires (un bloc élémentaire correspond à un compartiment sur le flux chaud qui échange de la chaleur avec un compartiment sur le flux froid). Cette approche permet aussi de représenter l’interconnexion en série de deux échangeurs ainsi que les topologies les plus courantes dans les réseaux : les collecteurs et les répartiteurs. Ces deux configurations correspondent respectivement à des interconnexions en parallèle sur les flux d’entrée et de sortie des échangeurs. Pour la partie commande, nous proposons des lois sur le débit d’entrée du flux chaud, l’autre débit étant supposé fixé. La représentation d’état des échangeurs ou du réseau d’échangeurs conduit à des modèles bilinéaires. Les contributions en rapport à la commande des échangeurs concernent : - La stabilisation robuste autour d’un point de fonctionnement d’un échangeur thermique en utilisant la méthode de forwarding sur un modèle à n blocs. Des simulations utilisant un observateur d’état sont proposées sur un modèle d’échangeurs à trois blocs. Nous utilisons comme mesure la température des deux fluides en sortie de l’échangeur. - Deux synthèses de commande sont proposées sur une topologie d’échangeurs en parallèle. L’objectif de commande est de maximiser l’énergie totale fournie aux clients. Les synthèses de commande sont basées sur la méthode d ’Extremum-Seeking avec un estimateur distribué. Cette dernière partie permet de calculer localement pour chaque agent (dans notre cas, l’échangeur et sa commande) une estimation du critère global à partir des informations disponibles à son niveau ainsi que celles des voisins comme définis par le graphe de communication. Les synthèses sont basées sur deux scénarii différents du graphe de communication : une commande dans le cas où il est complet et une autre dans le cas où il est connexe. Des simulations sont proposées sur un réseau de trois échangeurs pour le premier scénario et de cinq échangeurs pour le second.
Origine : Version validée par le jury (STAR)