Cryogénie · NMPC · estimation d’état
NMPC temps réel pour le circuit d’hélium superfluide du LHC
- Contexte
- CERN, Genève — chercheur et doctorant (2007–2013) ; doctorat, Université de Valladolid (2015).
- Problème
- Maintenir les aimants supraconducteurs du LHC à leur température de fonctionnement de 1,9 K. Au-delà de 2,1 K, un verrouillage met les aimants hors tension ; au-delà de 2,16 K, l’hélium quitte l’état superfluide et un aimant peut transiter (quench).
- Dynamique et contraintes
- Thermohydraulique distribuée fortement non linéaire avec retard pur, réponse inverse, saturation des actionneurs et fort couplage — et seulement quelques mesures le long d’un long circuit cryogénique.
- Approche existante
- Régulation PI classique, réglée avec prudence pour rester loin des limites de température.
- Solution
- Un modèle thermohydraulique de premiers principes simplifié pour le temps réel ; une estimation non linéaire à horizon glissant des états non mesurés (5 états thermodynamiques à partir de 3 capteurs de pression et de la température, à 1 Hz) ; une NMPC économique à retour de sortie avec les limites de température comme contraintes dures.
- Mise en œuvre et validation
- Génération semi-automatique de code pour la NMPC d’un système raide à paramètres distribués. Environ 1 s par estimation et 7 à 14 s par optimisation. Le régulateur a été testé au CERN.
- Résultat
- Après la même perturbation, la NMPC a stabilisé la température du bain environ dix fois plus vite que l’ancienne régulation PI, sans violer la limite de 2,1 K.
- Enseignements
- L’estimateur détermine la qualité possible du régulateur. Un modèle simplifié qui tourne en temps réel vaut mieux qu’un modèle complet qui ne le fait pas. Les limites dures ont leur place dans le problème d’optimisation, pas dans un réglage prudent.
- Preuves
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- Noga et al., IEEE CDC 2014 — moving-horizon estimation and control
- Noga et al., IFAC NMPC 2015 — NMPC for superfluid helium cryogenics
- Noga, PhD thesis, University of Valladolid, 2015
- Noga & Ohtsuka, ICPC 2011 — code generation for NMPC of a stiff distributed-parameter system
- Lettre de recommandation du CERN (Genève, 10.03.2009) : « I recommend Mr. Noga without any reservation. »