Les bâtiments consomment plus de 40 % de l'énergie mondiale. Bien que nombre de propositions pour améliorer la gestion de l'énergie dans les bâtiments aient été avancées, cette problématique demeure essentiellement ouverte. Cette thèse porte sur le développement et l'évaluation d'une commande prédictive pour la gestion de l'énergie dans le bâtiment ainsi que l'étude de l'embarcabilité de l'algorithme de contrôle sur une cible temps-réel (Roombox - Schneider-Electric). En plus des divers simulations montrant l'intêret d'une telle approche, ce travail explore aussi la capacité de la commande prédictive à s'adapter à des scénarii complexes (prix variable de l'énergie, bâtiments multi-sources, contraintes de ressources, stockage d'énergie, ...). Ce travail propose l'élaboration d'une architecture de commande distribuée pour contrôler les paramètres de confort dans chaque zone du bâtiment sous respect de contraintes de ressources globales. Cette thèse CIFRE a été préparée au sein du laboratoire Gipsa-lab en partenariat avec Schneider-Electric dans le cadre du programme HOMES (www.homesprogramme.com).

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [183]-186. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Th. doct.--Automatique--Paris 9, 1996. / LMI = Linear matrix inequalities. Textes en français ou en anglais. 1996 d'après la déclaration du dépôt légal. Bibliogr. p. 197-209. Résumé en français.

Th. 3e cycle--Génie électrique--Toulouse--I.N.P., 1983. N°: 163.

Th. 3e cycle--Méc., autom. appl.--Besançon, 1978. N°: 299.

Th. doct.-ing.--Lille 1, 1979. N°: 229.

Une vallée hydroélectrique est constituée d'un nombre important de centrales interconnectées du fait de l'utilisation de la même ressource en eau. Pour pouvoir optimiser en temps réel sa production, il a été proposé dans cette thèse d'utiliser les méthodes associées aux systèmes à grande échelle pour développer les outils nécessaires. Cette étude de la commande globale du système a été orientée vers l'utilisation des méthodes de décomposition-coordination. Ces méthodes ont été examinées et appliquées à un cas d'étude simplifié (une partie de la vallée hydraulique) mis à disposition par EDF. Plus particulièrement, les méthodes de décomposition-coordination par les prix, ou encore par les prédictions des interactions, s'appuyant sur des commandes MPC, ont été considérées et comparées avec une commande centralisée. En vue d'une implémentation temps-réel, nous nous sommes intéressés à exprimer les problèmes d'optimisation comme des problèmes QP, pour ensuite obtenir des solutions explicites en utilisant une méthodologie de caractérisation géométrique. Nous avons proposé des formulations complètement explicites (niveau coordinateur et sous-systèmes) pour les deux méthodes. Des résultats de simulation avec des données réelles mises à disposition par EDF sont présentés. Afin de valider les méthodes conçues, une première phase d'implantation sur la plate-forme Supervision NG d'EDF permettant la communication avec un modèle de la vallée hydroélectrique (basé sur les équations de Saint Venant et la bathymétrie de la rivière), est enfin incluse dans ce mémoire. / This study is mainly about the hydroelectric production problem. What we aim to do, is to develop optimization tools for a chain of hydroelectric plants, using appropriate control methodologies. A hydroelectric valley is a large scale system, made up of interconnected plants. The study of the global control system has been focused to the use of decomposition-coordination methods. Those methods have been examined and applied to a simplified case study (a part of a hydroelectric valley) given by EDF. To be more specific, the price decomposition - coordination method and the interactions prediction method, based on MPC controls, have been considered and compared to a centralized control. Because of the need of implementation in real time, we have expressed the optimization problems as QP problems, so as to obtain explicit solutions using the geometric characterization methodology. We have proposed a completely explicit formulation (both at the coordinator level and at the subsystems level) for both methods. Simulation results with real data information given by EDF are also presented. To verify and validate the designed methods, a first step of implementation on the supervision platform NG by EDF, that allows the communication with a model of the hydroelectric valley (based on the equations of Saint Venant and on the river bathymetry) is finally also included in this thesis.

À l’heure actuelle, les stratégies de gestion de l’énergie pour les bâtiments sontprincipalement basées sur une concaténation de règles logiques. Bien que cette approcheoffre des avantages certains, particulièrement lors de sa mise en oeuvre sur des automatesprogrammables, elle peine à traiter la diversité de situations complexes quipeuvent être rencontrées (prix de l’énergie variable, limitations de puissance, capacitéde stockage d’énergie, bâtiments de grandes dimension).Cette thèse porte sur le développement et l’évaluation d’une commande prédictivepour la gestion de l’énergie dans le bâtiment ainsi que l’étude de l’embarcabilité del’algorithme de contrôle sur une cible temps-réel (Roombox - Schneider-Electric).La commande prédictive est basée sur l’utilisation d’un modèle du bâtiment ainsique des prévisions météorologiques et d’occupation afin de déterminer la séquencede commande optimale à mettre en oeuvre sur un horizon de prédiction glissant.Seul le premier élément de cette séquence est en réalité appliqué au bâtiment. Cetteséquence de commande optimale est obtenue par la résolution en ligne d’un problèmed’optimisation. La capacité de la commande prédictive à gérer des systèmes multivariablescontraints ainsi que des objectifs économiques, la rend particulièrementadaptée à la problématique de la gestion de l’énergie dans le bâtiment.Cette thèse propose l’élaboration d’un schéma de commande distribué pour contrôlerles conditions climatiques dans chaque zone du bâtiment. L’objectif est de contrôlersimultanément: la température intérieure, le taux de CO2 ainsi que le niveaud’éclairement dans chaque zone en agissant sur les équipements présents (CVC, éclairage,volets roulants). Par ailleurs, le cas des bâtiments multi-sources (par exemple:réseau électrique + production locale solaire), dans lequel chaque source d’énergie estcaractérisée par son propre prix et une limitation de puissance, est pris en compte.Dans ce contexte, les décisions relatives à chaque zone ne peuvent plus être effectuéesde façon indépendante. Pour résoudre ce problème, un mécanisme de coordinationbasé sur une décomposition du problème d’optimisation centralisé est proposé. Cettethèse CIFRE 1 a été préparée au sein du laboratoire Gipsa-lab en partenariat avecSchneider-Electric dans le cadre du programme HOMES (www.homesprogramme.com). / Currently, energy management strategies for buildings are mostly based on a concatenationof logical rules. Despite the fact that such rule based strategy can be easilyimplemented, it suffers from some limitations particularly when dealing with complexsituations. This thesis is concerned with the development and assessment ofModel Predictive Control (MPC) algorithms for energy management in buildings. Inthis work, a study of implementability of the control algorithm on a real-time hardwaretarget is conducted beside yearly simulations showing a substantial energy savingpotential. The thesis explores also the ability of MPC to deal with the diversity ofcomplex situations that could be encountered (varying energy price, power limitations,local storage capability, large scale buildings).MPC is based on the use of a model of the building as well as weather forecasts andoccupany predictions in order to find the optimal control sequence to be implementedin the future. Only the first element of the sequence is actually applied to the building.The best control sequence is found by solving, at each decision instant, an on lineoptimization problem. MPC’s ability to handle constrained multivariable systems aswell as economic objectives makes this paradigm particularly well suited for the issueof energy management in buildings.This thesis proposes the design of a distributed predictive control scheme to controlthe indoor conditions in each zone of the building. The goal is to control thefollowing simultaneously in each zone of the building: indoor temperature, indoorCO2 level and indoor illuminance by acting on all the actuators of the zone (HVAC,lighting, shading). Moreover, the case of multi-source buildings is also explored, (e.g.power from grid + local solar production), in which each power source is characterizedby its own dynamic tariff and upper limit. In this context, zone decisions can nolonger be performed independently. To tackle this issue, a coordination mechanismis proposed. A particular attention is paid to computational effectiveness of the proposedalgorithms. This CIFRE2 Ph.D. thesis was prepared within the Gipsa-lab laboratoryin partnership with Schneider-Electric in the scope of the HOMES program(www.homesprogramme.com).

Les principes de la commande publique souffrent d’une imprécision juridique dans la mesure où, aspirant à des finalités communes au moyen d’instruments juridiques identiques, aucun des objectifs généraux qu’ils poursuivent ensemble ne peut être spécifiquement rattaché à l’un d’eux. Afin de pallier cette insuffisance du droit positif, une nouvelle clé de lecture des principes doit être découverte. Une analyse détaillée du droit positif dévoile que le temps constitue le pivot d’une lisibilité certaine des fonctions des principes. Structurant le droit de la commande publique, cet élément permet d’identifier différents temps poursuivant des objectifs spécifiques, dont la concordance avec les principes permet de délimiter les finalités caractéristiques à chacun. À partir de cette application temporelle des principes, il est possible de définir leurs fonctions propres, en ce sens que chacune des règles spécifiques du droit de la commande publique peut être rattachée àl’un d’entre eux. Une confrontation de cette conceptualisation temporelle au droit positif dévoile que de cette définition des fonctions propres, découlent des implications positives sur le droit de la commande publique. D’une part, certaines zones d’ombres latentes de cette branche du droit sont clarifiées. D’autre part, l’office du juge des contentieux précontractuel et contractuel est précisé. Une lecture singulière des fonctions des principes permet ainsi de pallier en partie la complexité patente du droit de la commande publique. / The principles of the Public Commission suffer a legal indistinctness, inasmuch as, aspiring to common purposes by means of identical legal instruments, none of the general objectives that they pursue together cannot be specifically connected to one of them. To mitigate this insufficiency of the substantive law, a new key to the interpretation of principles must be discovered. A detailed analysis of the substantive law reveals that the time constitutes the pivot of a certain legibility of the fonctions of the principles. Structuring Public Commissions Law, this element allows to identify different time pursuing specific objectives, of which the concordance with the principles allows to delimit the characteristic purposes of each.From this temporal application of the principles, it is possible to define their own fonctions, in this sense that each of the rules specific of Public Commissions Law can be connected to one of them. A confrontation of this temporal conceptualisation reveals that of this definition of appropriate functions, ensue positives implications of the Public Commission Law. On one hand, some latent grey areas of this branch of the law are clarified. On the other hand, the office of the judge of pre-contractual and contractual disputes is specified. A singular reading of the fonctions of the principles allows thereby to mitigate partially to the obvious complexity of the Public Commission Law.

Les structures de commande prédictive (MPC) utilisant des simulateurs dynamiques comme modèles de procédé ne font pas légion. Cette rareté s'explique en grande partie par la difficulté de résolution des problèmes d'optimisation résultants. En effet, les algorithmes de programmation non linéaire ne sont pas toujours adaptés pour atteindre efficacement l'optimum des fonctions basées sur des modèles physiques, à plus forte raison encore si les équations utilisées sont inconnues (modèles de type boîte noire). C'est en s'appuyant sur ce constat qu'une nouvelle approche pour la MPC est proposée. Le principe consiste à substituer la minimisation explicite de la fonction objectif par une simulation du système en boucle fermée pour solutionner de façon généralement sous-optimale le problème de contrôle en boucle ouverte. Cette nouvelle méthode permet d'exploiter plusieurs des avantages de la commande prédictive sans être limitée par la complexité des modèles. Deux algorithmes sont présentés: décentralisé et découplé. Bien qu'avantageuse sur le plan du réglage, la structure découplée ne permet pas la même liberté que la structure décentralisée pour le choix de l'horizon de prédiction qui doit généralement être du même ordre de grandeur que le temps de réponse en boucle ouverte. Le développement d'une structure de simulation du comportement dynamique de la flottation en colonne, un procédé de séparation des minéraux, représente la seconde contribution de cette thèse. Une grande lacune des simulateurs proposés à ce jour demeure que même lorsque les équations différentielles de conservation sont utilisées, les variations dynamiques du niveau de pulpe ne sont jamais considérées. La structure présentée ici s'intéresse à la simulation des mouvements des phases présentes et de leurs effets sur le niveau de pulpe et sur les débits de sortie. Par ailleurs, comme bien d'autres procédés minéralurgiques, la flottation en colonne a peu bénéficié des avancées en contrôle de procédés. C'est donc sur ce terrain que les deux thèmes étudiés se rencontrent lors d'une mise à l'épreuve conjointe. L'étude de cas proposée s'intéresse à l'asservissement de trois variables d'opération critiques pour le bon fonctionnement du procédé à savoir, la concentration d'air dans la zone de pulpe, le flux net d'eau à l'interface et le niveau de pulpe à l'aide d'un contrôleur prédictif basé sur la simulation. / Applications of dynamic simulators for model predictive controllers design are rather scarce in the litterature. The complexity of solving the resulting optimization problems may explain this lack of popularity. In fact, nonlinear programming algorithms are not always well suited to efficiently reach the optimum of a fundamentaly-based cost function. The situation is even worse when the equations used in the model are unknown by the control designers (black box models). The simulation-based model predictive controller is an alternative formulation to perform model predictive control (MPC) without making use of any explicit optimization solver, but rather based on an easy-to-compute closed-loop simulation. The resulting scheme generally provides a sub-optimal solution and benefits from many interesting features of conventional MPC without being restricted by the model complexity. Two algorithms are proposed: decentralized and decoupled. The decentralized simulation structure allows a flexible setting of the prediction horizon (Hp) that is not possible in the decoupled case, easier to tune, but where Hp must generally be in the same order of magnitude that the system settling time. A second contribution of this thesis is the development of a framework for the dynamic simulation of a mineral separation process: column flotation. Until now, most of the proposed models or simulators were restricted to the steady-state behavior. When dynamic mass-balance equations were considered, a constant pulp level during the simulation was always assumed. The presented framework aims to simulate water, solids and gas motion and their effect on the pulp level and output flow rates. As it often happens in mineral processing, the column flotation process has not benefited from advanced control techniques. This is where the two previous subjects merge. The proposed simulation framework is used to design a simulation-based model predictive controller for process variables having a strong influence on metallurgical results (grade and recovery). A case study is presented where the pulp level, bias and air hold-up in the pulp zone are kept within an acceptable operating region.