Nouvelles stratégies de contrôle avancé pour les procédés

Sujet de thèse CIFRE:
Nouvelles stratégies de contrôle avancé pour les procédés sidérurgiques
Partenaire industriel:
ArcelorMittal Research, (Centre R&D Maizières Process), Maizières-lès-Metz;
Partenaire académique:
Centre de Recherche en Automatique de Nancy, (CRAN), UMR CNRS-Université de Lorraine 7039;
Encadrants ArcelorMittal:
• Julien Francken (Docteur ès Sciences, Ingénieur de Recherche)
• Ahmed Khelassi (Docteur ès Sciences, Ingénieur de Recherche)
Encadrants CRAN:
• Marc Jungers (Chargé de Recherches CNRS, HDR);
• Irinel-Constantin Mor˘arescu (Maître de Conférences ENSEM-UL).
1. C ONTEXTE
Le groupe ArcelorMittal est une multinationale créée en 2006 et leader dans la production de l’acier.
Le groupe développe de manière plus spécifique toute une gamme de produits sophistiqués et à haute
valeur ajoutée pour l’automobile, l’emballage ou le nucléaire. Parmi les onze centres de recherches
d’Arcelormittal, celui de Maizières-lès-Metz est le plus important, comptant environ 570 employés
et chercheurs. Les recherches menées s’articulent autour de 4 thèmes: l’automobile, la production
minière, l’emballage et les procédés. Le présent sujet de thèse s’inscrit sur le dernier thème avec le
centre R&D Maizières Process.
L’industrie sidérurgique rencontre depuis des années un développement important. Les caractéristiques et des produits destinés aux différents secteurs industriels deviennent de plus en plus exigeantes.
Enfin, des innovations technologiques des procédés de fabrication d’acier apparaissent afin de satisfaire les besoins actuels et futurs. Celles-ci augmentent la taille et la complexité du système à piloter.
Cette proposition de thèse CIFRE s’appuie sur une collaboration forte et durable entre le centre
R&D ArcelorMittal Research de Maizières-lès-Metz et le CRAN. Cette collaboration s’est déjà concrétisée par plusieurs thèses CIFRE, stages et projets de fin d’étude d’étudiants ENSEM et ESSTIN,
mais aussi de nombreuses publications et un brevet international.
2. E TAT DE L’ ART
A l’heure actuelle l’industrie utilise tout particulièrement des régulateurs avancés de type Proportionnel – Intégrale – Dérivée (PID) car ils présentent une large gamme d’avantages. Parmi ceux-ci, il
est possible de citer la simplicité de leur réalisation, leur faible coût, leur réglage aisé (tant quantitatif
que qualitatif) mais aussi leur robustesse.
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Pour les systèmes complexes possédant plusieurs actionneurs et capteurs, il est possible d’adopter
une démarche de contrôle par plusieurs boucles locales avec régulateurs PID indépendants, en faisant
l’hypothèse que les interactions restent faibles entre les différentes chaînes directes. Cette méthode
fonctionne bien pour le cahier des charges actuel des procédés de fabrication d’acier.
Cependant la diversification des aciers produits (dureté, planéité, emboutissabilité, résistance, ...)
et l’optimisation énergétique des procédés de fabrication (diminution des coûts et politique environnementale) conduisent notamment à des contraintes très astreignantes qui atteignent les limites
d’applicabilité des structures de contrôle actuelles poussées dans leur retranchement. En régime permanent la bande d’acier est prise par la totalité des cages de laminage. Cela génère un couplage entre
les composantes d’état et demande une stratégie globale de contrôle capable de prendre en compte ces
interactions. L’aspect interaction est encore plus présent et plus persistant dans le cas d’une lubrification flexible. Un autre problème importante que l’on doit traiter est le changement de modèle au cours
du processus de laminage. Précisément, la bande d’acier rentre successivement dans plusieurs cages.
Donc, la dimension d’état change progressivement jusqu’au moment quand la totalité des cages sont
impliquées dans le processus de laminage. De même, le modèle change quand la bande d’acier se termine. Dans ce cas, la dimension d’état diminue progressivement au fur et a mesure que les premières
cages n’interviennent plus dans le processus. Dans certaines configurations, les bandes sont soudées
entre-elles en amont. Des modes de fonctionnement sont alors différents au passage des soudures
(ralentissement et désengagement des cages par exemple). Ces systèmes complexes peuvent alors
être vus comme un système commuté qui est délicat à traiter.
3. O BJECTIF DE LA THÈSE
L’objectif de cette thèse est principalement de proposer de nouvelles stratégies de contrôle avancé
pour le laminage à froid des bandes d’acier de type tôle fine, notamment des stratégies centralisées
de contrôle remplaçant des boucles de régulation locales et indépendantes, afin d’élargir le champ des
matériaux traitables, d’augmenter et d’optimiser la productivité et les capabilités du procédé ainsi que
de minimiser les coûts de production.
Les régulations actuelles sont fondées sur des estimations numériques en ligne sous formes linéaires
de modèles métallurgiques à l’aide d’un processus propriétaire de structure non accessible. Ces modèles relient la réduction d’épaisseur sur une cage, les tensions de bande amont et aval, la force de
laminage et différents paramètres liés au métal et à l’installation. La mise en place d’un contrôle
centralisé se fondera sur ces modèles non-linéaires – sous leur forme complète (Bryant et Osborn;
Bland et Ford; Orowan) – qui régissent une bande d’acier dans un laminoir et qui tiennent compte
de l’ensemble des interactions et couplages entre les cages. Un des objectifs de l’introduction d’un
contrôle global est également lié à l’installation de nouvelles innovations technologiques comme la
lubrification active de l’acier (traduites par l’intégration d’un actionneur supplémentaire) permettant
d’optimiser la capabilité du laminoir en terme d’effort maximal applicable ou de durée des campagnes
des cylindres de travail.
Afin de contrôler le système complexe, composé d’équations différentielles non-linèaires et de
contraintes algébriques fortement non-linéaires, un problème d’optimisation devrait être proposé pour
satisfaire le cahier des charges imposé. La loi de commande globale devra être de plus robuste autant
que possible afin de pouvoir être appliquée sur différents sites de production et différentes classes de
matériaux.
Enfin, bien que cette thèse concentre son illustration sur les procédés de laminage à froid, les résultats et méthodes développés pourront être utilisés pour d’autres applications. En effet, l’industrie
sidérurgique rencontre depuis des années un développement important et considérable des produits
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destinés aux différents secteurs industriels. Ce développement au niveau des produits est accompagné par des innovations technologiques des procédés de fabrication d’acier afin de satisfaire les besoins actuels et futurs. Une des applications nécessitant l’adoption et l’enrichissement d’une stratégie
de contrôle avancée et globale est la maîtrise de la température des nouveaux produits destinés au
marché de l’automobile à la sortie des fours de recuit continu. Ces produits innovants nécessitent une
régulation de température très performante et de haute précision avec des tolérances particulièrement
réduites afin de garantir les propriétés mécaniques souhaitées. Les techniques de contrôle utilisées
actuellement ont montré leurs limites face aux nouveaux besoins en termes de performance pour le
suivi de température. Les travaux qui seront développés dans le cadre de cette thèse pourront être
adaptés et ré-orientés vers cette application afin d’accompagner le déploiement de ces nouvelles nuances d’aciers et répondre aux futurs défis en contrôle/commande.
4. O RGANISATION DES TRAVAUX DE RECHERCHE
La méthodologie scientifique associée à la thèse est décrite comme suit.
Dans un premier temps, une étude bibliographique permettra de considérer les différents modèles
non-linéaires classiques pour le laminage à froid de l’acier et aboutira à l’établissement d’un modèle
algébro-différentiel non-linéaire précis en fort lien avec la physique des phénomènes mécaniques en
jeu. La détermination de points d’équilibre (généralement définis uniquement de manière implicite
dans les modèles non-linéaires) et la linéarisation du modèle autour de ces points d’équilibre aidera
à l’obtention d’un modèle plus simple pour effectuer la synthèse d’une loi de commande. Cette
recherche bibliographique portera non seulement sur les aspects théoriques, mais aussi et surtout sur
les techniques de commande avancée et robuste appliquées aux procédés sidérurgiques (en particulier
le laminage).
Dans un deuxième temps, une étude devra déterminer les grandeurs accessibles par mesure et
grandeurs observables pour connaître la classe des lois de commande. Un problème d’optimisation
devra être formalisé à partir du cahier des charges. Ainsi, si la dynamique est linéarisée et si l’on
peut écrire le cahier des charges sous la forme d’un critère quadratique (c’est le cas pour les aspects
énergétiques, mais aussi de prise en compte des erreurs, incertitudes et perturbations), une commande
de type linéaire–quadratique (LQ) est une piste possible parmi d’autres pour obtenir une commande
robuste de type retour d’état global pour le système.
Dans le cas où l’ensemble des composantes de l’état ne serait pas accessible directement, il sera
nécessaire pour compléter la commande globale envisagée, de mettre en place une stratégie d’estimation
des composantes manquantes à l’aide d’observateurs (par exemple, le glissement dans les cages 2 et
4 devra être estimé).
Dans un troisième temps, une validation des performances et de la robustesse de cette stratégie
sera nécessaire par des simulations fondées sur des données réelles provenant des différents sites de
production.
Enfin, l’efficacité de la stratégie de commande devra être faite en implémentant réellement ces lois
de commande sur les sites de production.
Afin de réaliser ce travail, le candidat sera présent à durées égales au CRAN et chez ArcelorMittal
Research. Les résultats seront valorisés en termes de publications scientifiques internationales.
R EFERENCES
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