Graph-based modelling and hierarchical distributed control design for decentralized high-pressure pumps - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Graph-based modelling and hierarchical distributed control design for decentralized high-pressure pumps

Modélisation à l'aide des graphes et synthèse des stratégies de commande hiérarchisées distribuées dédiées aux pompes haute pression décentralisées

Résumé

This thesis provides a design framework that aims to improve the energy efficiency of future waterjet facilities in compliance with industry 4.0. This framework involves the modelling of high-pressure networks and the robust control design for a new generation of electrically driven high-pressure pumps.The Part I of this manuscript classifies typical waterjet applications and defines use cases to validate the proposed design framework. It presents common hydraulically driven pumps and introduces the functional principle of novel electrically driven pumps. A test bench employs these use cases to investigate the decentralized operation of two pump prototypes with electrical drive systems.The work of Part II develops an approach for the flexible modelling of high-pressure networks. This modelling assigns the equations from fluid dynamics to the graph theory. The simulation accuracy is thereby improved by introducing a pressure-dependent bulk modulus and relating that to a pressure-dependent fluid density. This approach is implemented to provide a generic simulation toolbox, which is eventually applied to model specific high-pressure networks with respect to the defined use cases. The resulting high-pressure network models are validated by means of measurement data obtained from the test bench.Finally, Part III proposes a decentralized approach of the robust control design for electrically driven high-pressure pumps, each capable to stabilize a network subsection. Different uncertainty descriptions with various varying parameter are evaluated to realize a robust H∞ synthesis of structured controllers. The complexity of the resulting optimization problem due to controller syntheses is then reduced by introducing the concept of joint shaping functions. Moreover, introducing the procedure of Δ-K iteration employs guaranteed robustness while maximizing the permissible uncertainty range.The validated high-pressure network models are used to verify stability and performance for the decentralized control design. Simulations reveals that multiple pumps will operate at arbitrary pump rates if any managing is missing. Hence, algorithms for distributed balancing by means of average are investigated to overcome this downside.
Les travaux de cette thèse portent sur la modélisation des réseaux à haute pression et sur la conception des stratégies de commande robuste pour une nouvelle génération de pompes électriques à haute pression répondant aux besoins de l’industrie 4.0 en termes d’amélioration de l'efficacité énergétique.La première partie du manuscrit dresse une classification des applications industrielles au jet d'eau ainsi que les cas d’étude envisagés permettant de valider les concepts proposés. Les principes de fonctionnement des pompes hydrauliques classiques et des nouvelles pompes électriques sont également abordés. Enfin, le banc d’essais utilisé pour valider le fonctionnement décentralisé des deux prototypes de pompes est présenté.Au cours de la deuxième partie, une démarche de modélisation pour des réseaux à haute pression est développée. L’approche proposée est combinée des équations associées à la dynamique des fluides avec la théorie de graphes. La précision de la simulation obtenue est améliorée grâce à la prise en compte simultanée des caractéristiques du fluide à savoir le module de compressibilité et masse volumique tous les deux dépendants de la pression. Cette approche conduit à un outil générique de simulation finalement appliqué à la modélisation des réseaux à haute pression. Les modèles ainsi obtenus sont validés à partir de mesures issues du banc d’essais.La troisième et dernière partie propose une approche décentralisée de commande robuste pour de pompes électriques permettant de stabiliser une sous-section du réseau. Différentes descriptions des incertitudes avec divers paramètres variants sont évaluées pour la synthèse robuste H∞ structurée. Afin de réduire la complexité du problème d'optimisation lors de la synthèse, l’idée d’introduire des fonctions communes de pondération est proposée. Par ailleurs, la mise en place d’une procédure Δ-K itérative permet de maximiser le domaine d’incertitudes dans lequel les performances de robustesses sont garanties.La démarche de synthèse décentralisée est finalement validée à l’aide des modèles de réseau à haute pression. Simulations montrent que l’interconnexion de plusieurs pompes peut conduire à un taux arbitraire de charge de chaque pompe en absence d’un mécanisme de gestion. Dans cette perspective, une approche d’équilibrage distribué par consensus est étudiée.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03649521 , version 1 (22-04-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03649521 , version 1

Citer

Stefan Josef Niederberger. Graph-based modelling and hierarchical distributed control design for decentralized high-pressure pumps. Automatic. Université de Haute Alsace - Mulhouse, 2019. English. ⟨NNT : 2019MULH2951⟩. ⟨tel-03649521⟩
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