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ﺟـﺎﻣـ ﻌــــﺔ نﺎــ ــ ـﻳز ر ـﻮ ــﺷﺎـﻋ ﺑﺎﻟ ـﺠـﻠـ ـﺔ ــ ــﻔ Ziane Achour Universit

ﺟـﺎﻣـ ﻌــــﺔ نﺎــ ــ ـﻳز ر ـﻮ ــﺷﺎـﻋ ﺑﺎﻟ ـﺠـﻠـ ـﺔ ــ ــﻔ Ziane Achour University of Djelfa ـﻠـ ـﻛــ ـــــ ــﺔ ـ ــــﻴ مﻮـــــــ ـﻠ ــ ـﻌ ـ ــﻟا و ﻴ ــﺟ ـﻮ ــﻟ ـﻮ ـ ــﻨ ـﻜـ ــﺘـﻟا ـــــ ـــﺎ Faculty of Science and Technology اﻟﺠﻤﻬﻮرﻳﺔ اﻟﺠﺰاﺋﺮﻳﺔ اﻟﺪﻳﻤﻘﺮاﻃﻴﺔ اﻟﺸﻌﺒﻴﺔ Algeria of Republic Popular and Democratic وزارة اﻟﺘﻌﻠﻴﻢ اﻟﻌﺎﻟﻲ واﻟﺒﺤﺚ اﻟﻌﻠﻤﻲ Ministry of Higher Education and Scientific Research Department: Electrical Engineering DOCTORAL THESIS Order N° : 010 / 2020 Defense authorization N° 246/2020 Topic 3rd Cycle Doctoral (D-LMD) Presented by Hakim BAGUA With a view to obtaining the doctoral diploma in 3rd Cycle Doctoral (D-LMD) Branch: Automatic Specialty: Industrial Diagnostic Diagnostic et commande floue tolérante aux défauts pour l’amélioration des facteurs d’efficacité d’une turbine à gaz Supported, on 09 /12/2020, before the jury composed of: Full name Grade Institution of affiliation Designation Mr Kouider LAROUSSI MCA University of Djelfa President Mr Ahmed HAFAIFA Professer University of Djelfa Supervisor Mr Mouloud GUEMANA MCA University of Médéa Co Supervisor Mr Kamal MOHAMMEDI Professer University of Boumerdès Examiner Mr Abdelhalim TLEMCANI Professer University of Médéa Examiner Mr Imad MERZOUK MCA University of Djelfa Examiner University of Djelfa, 2020 B Dédicaces Je dédie mon travail de thèse à ma famille et à de nombreux amis, Un sentiment particulier de gratitude envers mes parents aimants, dont les mots d'encouragement et de ténacité résonnent dans mes oreilles. Mes frères Makhlouf, Ahmed, Walid et Saad n'ont jamais quitté mon côté et sont très spéciaux. Je dédie également cette thèse à ma femme et à mon adorable fils Mohamed Abdelwadoud qui m'ont soutenu tout au long du processus. Je dédie ce travail et je remercie tout particulièrement tous ceux qui me donnent au moins des paroles encourageantes pour accomplir le travail de la thèse. Hakim BAGUA Djelfa Décembre 2020 C Remerciements Cette thèse doctorat D-LMD à été réalisée au sein du laboratoire d’Automatique Appliquée et Diagnostics Industriel (LAADI) et dans l'équipe de recherche mixte de turbines à gaz à la faculté des sciences technologiques de l'université de Djelfa. Tout d'abord, je voudrais exprimer ma sincère gratitude à mon directeur de thèse, Monsieur le Professeur Ahmed HAFAIFA d’avoir dirigé cette thèse avec ses grandes qualités tant sur le plan humain que scientifique, pour leur soutien continu pendant mes études de graduation et de formation doctorale. Je tiens également à remercier Monsieur Dr Mouloud GUEMANA, Maître de conférences à l’Université de Médéa pour avoir accepté d'être mon co- directeur de la thèse et pour ses conseils et ses orientations. Mes remerciements également à Monsieur Abdellah KOUZOU, Professeur à l’Université de Djelfa, pour ses conseils et sa motivation à notre égard lors de sa présence au Laboratoire LAADI et pour sa patience, il a été le père des doctorants de LAADI. Tous mes remerciements également à Monsieur Dr. Kouider LAROUSSI, Maître de conférences à l’Université de Djelfa, pour avoir accepté d’examiner mon travail et présider le jury. Aussi, j’exprime toute ma gratitude à Monsieur Kamal MOHAMMEDI, Professeur à l’Université de Boumerdès et à Monsieur Abdelhalim TLEMCANI, Professeur à l’Université de Médéa et à Monsieur Imad MERZOUK, Maître de conférences à l’Université de Djelfa, pour avoir accepter de prendre part au jury. Un grand merci à tous mes collègues du Laboratoire d'Automatique Appliquée et de Diagnostic Industriel (LAADI) pour l'encouragement, les conseils et l'aide pendant la formation et le travail de thèse. Enfin, je voudrais rendre hommage à tous ceux qui, plus ou moins récemment, de près ou de loin, à leur manière m’ont aidé à mener à bien cette thèse. Hakim BAGUA Djelfa Décembre 2020 D ﻣﻠﺧص ﺗﻌﺘﻤﺪ اﻟﻤﻨﺸﺂت اﻟﺒﺘﺮوﻟﯿﺔ وﻣﻨﺸﺂت اﻟﻐﺎز اﻟﺤﺪﯾﺜﺔ أﻛﺜﺮ ﻓﺄﻛﺜﺮ ﻋﻠﻰ ﻋﻤﻠﯿﺎت اﻟﺘﺤﻜﻢ اﻟﻤﺘﻘﺪﻣﺔ ﻟﻠﻐﺎﯾﺔ، وذﻟﻚ ﻣﻦ أﺟﻞ ﺗﻠﺒﯿﺔ ﻣﺘﻄﻠﺒﺎت اﻷداء اﻟﻌﺎﻟﯿﺔ ﻣﻦ ﺣﯿﺚ اﻹﻧﺘﺎﺟﯿﺔ واﻟﺴﻼﻣﺔ واﻟﺒﯿﺌﺔ .ﯾﮭﺪف ھﺬا اﻟﻌﻤﻞ أﺳﺎﺳﺎ إﻟﻰ ﺗﻄﻮﯾﺮ ﻧﻈﺎم ﻗﻮي ﻟﻠﺘﺸﺨﯿﺺ واﻟﺘﺤﻜﻢ ﻓﻲ اﻷﺧﻄﺎء ﻟﻤﺮاﻗﺒﺔ وﺿﺒﻂ ﻗﯿﻢ ﻣﻌﻠﻤﺎت ـ ﺗﻢ ـ اﻟﻐﺎزﯾﺔ. ـ اﻟﺘﻮرﺑﯿﻨﺎت ﺗﺸﻐﯿﻞ ـ ﻟﺘﻄﺒﯿﻖ ـ ﺑﺎﻷطﺮوﺣﺔ ـ اﻟﺨﺎص ـ اﻟﻌﻤﻞ ـ ھﺬا ﺗﺨﺼﯿﺺ إﺳﺘﺮاﺗﯿﺠﯿﺔ اﻟﺘﺤﻜﻢ اﻟﻀﺒﺎﺑﻲ اﻟﻤﺘﺴﺎﻣﺢ ﻣﻊ اﻷﺧﻄﺎء ﻟﺘﺤﺴﯿﻦ ﻋﻮاﻣﻞ اﻟﻜﻔﺎءة ﻟﺘﻮرﺑﯿﻨﺎت اﻟﻐﺎز ـ اﻟﺼﻨﺎﻋﯿﺔ أﺣﺎدﯾﺔ اﻟﻌﻤﻮد ,وﻣﻦ ﺛﻢ ﯾﺘﻢ اﺳﺘﻌﻤﺎل ﺗﻘﻨﯿﺔ اﻟﺘﺸﺨﯿﺺ ـ اﻟﻘﺎﺋﻤﺔ ﻋﻠﻰ ،اﻟﻨﻤﻮذج ـ وﺗﻄﺒﯿﻘﮭﺎ ﻋﻠﻰ ﻧﻤﻮذج ﻓﻀﺎء اﻟﺤﺎﻟﺔ اﻟﻤﺤﺪد ﻣﻦ ﺑﯿﺎﻧﺎت اﻟﺘﺴﺠﯿﻞ اﻟﻌﻤﻠﯿﺔ اﻟﺨﺎﺻﺔ ﺑﺎﻹدﺧﺎل / اﻹﺧﺮاج. ﯾﺘﻢ اﺳﺘﺨﺪام ﻗﯿﺎس ﻣﺘﻐﯿﺮات اﻟﺘﻮرﺑﯿﻦ ﻣﻦ أﺟﻞ ﺗﻨﻔﯿﺬ إﺳﺘﺮاﺗﯿﺠﯿﺔ اﻟﺘﺤﻜﻢ ﻣﻊ إﺳﺘﺮاﺗﯿﺠﯿﺔ ﻣﺮاﻗﺒﺔ اﻷﺧﻄﺎء واﻟﺘﺸﺨﯿﺺ، ﻓﻲ ﺟﺎﻧﺐ اﻟﺘﺤﻜﻢ ﻓﻲ ﺗﺤﻤﻞ اﻷﺧﻄﺎء ﻓﻲ ھﺬه اﻵﻟﺔ .اﻟﺪوارة ﯾﻌﺘﻤﺪ ھﺬا اﻷﻣﺮ ﻋﻠﻰ ﻧﮭﺞ اﻟﻤﻨﻄﻖ اﻟﻀﺒﺎﺑﻲ ﻣﻦ اﻟﻨﻮع اﻷول واﻟﻨﻮع ،اﻟﺜﺎﻧﻲ ﺑﮭﺪف ﺗﻮﻓﯿﺮ ﻣﺮاﻗﺒﺔ وﺗﺤﻜﻢ ﻣﻦ ﻧﻮع اﻛﺘﺸﺎف وﻋﺰل أﻋﻄﺎب اﻟﺘﻮرﺑﯿﻨﺔ ﻗﯿﺪ .اﻟﺪراﺳﺔ Résumé Les installations pétrolières modernes s’appuient de plus en plus sur des procédés de contrôle très avancés, afin de réaliser des exigences de performances très élevés en qualité de productivité, sécurité et environnement. Le but de ce travail est le développement d'un système flou de diagnostic et commande robuste tolérante aux défauts pour la surveillance de paramètres de fonctionnement d’une turbine à gaz. Ce travail de thèse est consacré par l’application de la commande floue tolérante aux défauts pour améliorer des facteurs d’efficacité d’une turbine à gaz industrielle mono arbre. D'où, le processus du diagnostic à base de modèle est appliqué sur son modèle d'espace d’état identifié à partir des données opérationnelles d’entrée / sortie. La mesure des variables de turbine sont utilisées afin de mettre en oeuvre la stratégie de commande avec une stratégie de surveillance et de diagnostic de défauts, dans un aspect de commande tolérante aux défauts de cette machine tournante. Cette commande est basée sur une approche flous type-1 et type-2, dans le but de réaliser un observateur de type Luenberger pour le processus de détection et l’isolation du défaut de la turbine examinée. Abstract Modern petroleum installations rely more and more on very advanced control processes, in order to meet very high performance requirements in terms of productivity, safety and the environment. The goal of this work is the development of a robust fault tolerant diagnostic and control system for monitoring gas turbine operating parameters. This thesis work is dedicated to the application of fault tolerant fuzzy control to improve efficiency factors of a single shaft industrial gas turbine. Hence, the model-based diagnostic process is applied to its state space model identified from operational input / output data. The measurement of the turbine variables are used in order to implement the control strategy with a fault monitoring and diagnostic strategy, in a fault tolerant control aspect of this rotating machine. This command is based on a type-1 and type-2 fuzzy approach, with the aim of providing a Luenberger-type observer for the process of detecting and isolating the fault of the turbine under examination. E table des matières Liste des Figures...............................................................................................................................................G Liste des Tableaux...........................................................................................................................................L Liste des Travaux.............................................................................................................................................M Introduction Générale.....................................................................................................................................12 CHAPITRE I: Etat de l’art sur le diagnostic industriel avec commande tolérante aux défauts...................15 I.1. Introduction................................................................................................................................................16 I.2. Diagnostic et la commande tolérante aux défauts...................................................................................16 I.2.1. Concept de diagnostic.............................................................................................................................18 I.3. Modélisation dynamique de système en présence des défauts...............................................................20 I.4. Processus du diagnostic.............................................................................................................................21 I.5. Observateurs de diagnostic.......................................................................................................................25 I.6. Méthodes de diagnostic sans modèle.......................................................................................................27 I.7. Commande tolérante aux défauts.............................................................................................................34 I.7.1. Définitions de base..................................................................................................................................35 I.8. Classification des méthodes de commande tolérante aux défauts..........................................................37 I.9. Conclusion..................................................................................................................................................42 CHAPITRE II: Systèmes d'inférences flous type-1 et type-2..........................................................................43 II.1. Introduction...............................................................................................................................................44 II.2. Théorie des sous ensembles flous............................................................................................................44 II.3. Définitions et variables flous.....................................................................................................................47 II.4. Raisonnement en logique floue................................................................................................................48 II.5. Variables linguistiques..............................................................................................................................51 II.6. Théorie des sous ensembles flous type-2.................................................................................................52 II.7. Systèmes flous de type-1 et type-2..........................................................................................................56 II.7.4. Système d’inférence flou non singleton................................................................................................62 II.7.5. Système flou type-2 de Sugeno.............................................................................................................62 II.8. Modélisation par les méthodes basées sur le Clustering.........................................................................64 II.9. Approches de commande floue type-1 et Type-2....................................................................................69 II.10. Conclusion...............................................................................................................................................70 F CHAPITRE III: Identification de variables de modèle de turbine à gaz avec une approche sous-espace N4SID .......................................................................................................................................... 71 III.1. Introduction..............................................................................................................................................72 III.2. Identification et représentation d’un système.......................................................................................73 III.2.1. Identification d’un système..................................................................................................................73 III.2.2. Outils mathématiques pour l'identification........................................................................................74 III.2.3. Préparation de données d'identification.............................................................................................75 III.3. Identification du modèle multi entrée multi sorti dans l’espace état..................................................76 III.4. Algorithme N4SID d’identification..........................................................................................................77 III.5. Représentation d’état..............................................................................................................................81 III.6. Résultats d’applications...........................................................................................................................85 III.7. Conclusion................................................................................................................................................97 CHAPITRE IV: Diagnostic et commande floue tolérante aux défauts appliquée à une turbine à gaz mono arbre...........................................................................................................................................98 IV.1. Introduction.............................................................................................................................................99 IV.2. Surveillance et scénario des défauts de turbine à gaz..........................................................................99 IV.3. Analyse des performances de turbine à gaz........................................................................................102 IV.4. Scénario des défauts de turbine à gaz examinée.................................................................................108 IV.5. Surveillance à base des règles de contrôleur PI floue Type-1 / Type-2..............................................109 IV.6. Détection de défauts de turbine par l’observateur du Luenberger....................................................116 IV.7. Conclusion..............................................................................................................................................123 Conclusion générale......................................................................................................................................124 Bibliographie....................................................................................................................................................127 G Liste des Figures Figure I.1 : Représentation de types de défauts.............................................................................................18 Figure I.2 : Modélisation dynamique d’un système en boucle ouverte en présence des défauts...............21 Figure I.3 : Schéma de diagnostic de défaut basé sur un modèle.................................................................22 Figure I.4 : Schéma du diagnostic de défaut par la redondance analytique.................................................23 Figure I.5 : Schéma général du diagnostic utilisant le filtre du Kalman.........................................................24 Figure I.6 : Schéma du diagnostic de défaut par estimation paramétriques................................................25 Figure I.7 : Schéma de génération de résidus par observateurs....................................................................26 Figure I.8 : Observateurs pour la génération de résidus................................................................................26 Figure I.9: Génération des résidus par modèle flou.......................................................................................30 Figure I.10 : Modèle d’un neurone formel......................................................................................................30 Figure I.11 uploads/Industriel/ page-30.pdf