Gestion des systèmes hydrauliques et assimilation de données

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]ARCEAUNational audienceLes systèmes hydrauliques à surface libre, tels que les canaux d'irrigation, sont équipés d'ouvrages mobiles : seuils, vannes, pompes, afin de distribuer l'eau à divers usagers agricoles, mais aussi souvent urbains et industriels. Ces systèmes sont particulièrement intéressants car leurs dynamiques sont complexes : temps de retards, non-linéarités, grande dimension, multivariables (nombreuses mesures et nombreux points d'action possibles). D'autres systèmes présentent des similitudes et peuvent être étudiés sous le même angle (réseaux d'assainissement, fleuves comportant des barrages ou des usines hydroélectriques, stades d'eau vive, etc.). L'automatique est un domaine proposant de nombreuses méthodologies et des outils pour analyser ces systèmes et pour proposer des algorithmes de régulation automatique. Les critères souvent étudiés pour ces algorithmes sont la stabilité, la performance et la robustesse. Il existe des méthodes basées sur des algorithmes simples (ex. PID) mais dont le calage des coefficients peut être délicat du fait des temps de retard importants et des interactions entre les divers biefs d'un réseau de grande dimension. Nous montrerons une méthode simple à mettre en ½uvre pour caler ce type d'algorithme, adaptée aux dynamiques hydrauliques. Il existe également des méthodes plus sophistiquées particulièrement bien adaptées aux systèmes multi-variables, capables de calculer simultanément les commandes à appliquer pour satisfaire des objectifs sur un ensemble de points répartis sur le système. Ces méthodes sont souvent basées sur la minimisation de la norme d'un opérateur reliant les perturbations agissant sur le système, aux variables à contrôler. Les méthodes les plus classiques sont nommées à partir de la norme considérée : H2 (ou LQR-LQG), H∞, l1. Ces normes sont parfois définies dans l'espace temporel classique, ou dans l'espace fréquentiel apparaissant après transformation de Laplace. Nous illustrerons les principes et les performances obtenues avec certaines de ces méthodes sur des canaux d'irrigation. Les méthodes multi-variables sont parfois dites "à retour de sortie", ce qui signifie que l'algorithme mathématique calculant le vecteur de commande "u" n'a besoin de connaitre que les sorties "y" à contrôler. Mais parfois ces méthodes sont "à retour d'état", ce qui signifie que la totalité de l'état "x" doit être connu et fourni à l'algorithme. Or cet état est en général de grande dimension, par exemple constitué de cotes de l'eau et de débits à diverses sections de calcul de long du système hydraulique considéré. Il est alors impossible de mesurer cet état entièrement. La solution à adopter est basée sur la reconstruction de cet état à partir d'un nombre limité de mesures. Cette reconstruction est souvent basée sur des approches de type "Observateur d'état" ou "Filtre", qui peuvent rentrer dans le cadre général de ce qu'on appelle communément "Assimilation de Données". Le principe de cette Assimilation de Données est d'utiliser au mieux des informations provenant de deux sources différentes : un modèle et des données mesurées. Cette Assimilation de Données permet également de détecter des problèmes de capteurs (panne, dérive, etc.), d'actionneurs, de reconstituer des entrées inconnues, d'identifier des paramètres du modèle, etc. Nous illustrerons les apports de ces méthodes sur des applications pour la commande temps réel des aménagements sur le Rhône (collaboration avec la Compagnie Nationale du Rhône) ou sur l'Adour (collaboration avec le Schapi et le Cerfacs)