Synthèse d'observateurs pour les systèmes non linéaires : application à la commande et au diagnostic des bioréacteurs

Observer synthesis for nonlinear systems : applicationto controland diagnostic of bioreactor

• Auteur / Autrice : Mamadou Lamine Fall
• Direction : Mohammed M'Saad
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et productique
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Caen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen1992-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en informatique, image, automatique et instrumentation de Caen (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry-Marie Guerra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed M'Saad, Thierry-Marie Guerra, Jean-Pierre Barbot, Driss Boutat, Hassan Hammouri, Eric Pigeon, Olivier Géhan, Ridha Mosrati
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Barbot, Driss Boutat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Observateurs à grand gain

Commande non linéaire

Cinétique chimique

Bioréacteurs

Résumé

Dans cette thèse, nous présentons tout d’abord un procédé pilote d’un bioéacteur où l’on s���intéresse à la régulation du taux d’oxygène dissout consommé par une biomasse. Ce réacteur est utilisé pour la validation des observateurs et des lois de commande qui sont proposés dans la thèse. Dans l’optique de synthèse d’observateurs, nous considérons une classe de systèmes observables pour toute entrée. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés au cas où les mesures sont échantillonnées. Un observateur continu-discret est proposé et il est montré que l’erreur d’observation converge exponentiellement vers zéro tant que le maximum de la période d’échantillonnage reste inférieur à un certain seuil. Ensuite, nous avons traité le cas où la sortie du système est retardée avec un retard arbitrairement grand et nous avons proposé un observateur en cascade permettant l’estimation de l’état actuel du système. La convergence exponentielle de l’erreur est garantie pourvu que le nombre de sous-systèmes dans la cascade soit choisi de sorte à satisfaire une certaine condition. Deux lois de commande non linéaire de type grand gain et backstepping ont été proposées pour la régulation du taux d’oxygène dissout dans le bioréacteur. Comme ces lois de commande requièrent la connaissance de la vitesse de réaction qui est non mesurable, cette variable a été fournie par l’observateur continu-discret. Des résultats de simulation ont montré les bonnes performances de deux lois de commande utilisant l’observateur qui est proposée. Ces lois ont été implémentées sur le procédé pilote permettant ainsi une validation expérimentale des résultats obtenus.

In this thesis, we first present a pilot process of a bioreactor where one is interested in the regulation of dissolved oxygen levels consumed by biomass. This reactor is used for the validation of observers and control laws proposed. In the context of observer synthesis, we consider a class of observable systems for any input. Firstly, we were interested in the case of system with discret measurements. A continuous-discret time observer is proposed and it is shown that the observation error exponentially converges to zero since the maximum sampling period remains in a ball where the diameter is lower than a certain threshold. Secondly, we treated the case of system with an arbitrarily large output delay and we proposed a cascade observer to estimate the current state of the system. Exponential convergence of the error is guaranteed if the number of subsystems in the cascade is selected with satisfaction to a certain condition. Two nonlinear control law particularly a high gain type and a backstepping one have been proposed to control the dissolved oxygen levels in the bioreactor. As the control laws require knowledge of the reaction rate which is not measurable, this variable was provided by the continuous-discret time observer. Simulation results show the good performances of those control laws using the proposed observer. Those laws have been implemented on the pilot process allowing then a experimental validation of obtained results.