Contrôleur multivariable pour une centrale nucléaire CANDU 600 MWe

Ce projet de thèse est consacré à la conception d'un système de commande et de régulation multivariable pour une centrale nucléaire du type Gentilly-2. A partir d'un modèle non-linéaire de simulation de la centrale G2SIM, nous avons obtenu un modèle relativement moins complexe en posant certaines hypothèses. En appliquant la théorie des petites perturbations autour de points d'équilibre, la linéarisation de ce modèle nous a permis d'obtenir les équations linéaires d'état de la centrale. La validation de ce modèle linéaire que nous `avons appelé G2LDM a été effectuée par voie de simulation. Concrètement, nous avons comparé les résultats de simulation de G2SIM et G2LDM soumis aux mêmes types de perturbations. Le but de cette validation était de déterminer dans quelles mesures le modèle linéaire G2LDM pouvait être utilisé pour concevoir un régulateur pour le modèle non-linéaire G2SIM. Les conclusions de cette validation ont établi que G2LDM possède essentiellement la même dynamique que G2SIM, les différences de réponses entre les deux modèles étant surtout dues à certains phénomènes de non-linéarité et aux hypothèses qui ont été posées pour la linéarisation du modèle. Nous avons ensuite soumis le modèle G2LDM à une série d'analyses en vue de son identification structurelle et modale. Ces analyses nous on permis d'établir certaines propriétés des matrices de la description dans l'espace des états de la centrale. Elles ont aussi permis de déterminer la commandabilité et l'observabilité du système. L'analyse modale a permis d'identifier les modes instables et dominants de la centrale, et d'évaluer leur—relative invariance par rapport aux changements de points d'opération. Après une revue critique des méthodes de conception de contrôleurs multivariables, nous avons décidé d'explorer l'avenue des contrôleurs par rétroaction des sorties avec positionnement de pôles. En nous inspirant des travaux de certains chercheurs, nous avons mis au point une série d'algorithmes à la fois puissants et souples pour effectuer le positionnement de pôles par rétroaction des sorties. Nous avons implanté ces algorithmes à l'intérieur d'un ensemble sophistiqué de modules pour la conception assistée par ordinateur. Avec le modèle G2LDM, nous avons utilisé nos modules de positionnement de pôles pour la conception d'un contrôleur multivariable. Les performances de ce contrôleur sur le modèle linéaire G2LDM sont excellentes. Nous avons ensuite mis au point l'infrastructure logicielle pour la discrétisation et l'implantation d'un contrôleur multivariable dans le modèle non-linéaire de simulation, G2SIM. Finalement nous avons introduit dans G2SIM, le contrôleur multivariable conçu avec G2LDM. Après quelques ajustements, surtout de la partie dynamique du contrôleur, les résultats de simulation ont montré que les performances dû contrôleur multivariable sur G2SIM sont pleinement satisfaisantes. Pour réaliser ce projet qui intègre presque toutes les étapes de la conception d'un système de commande et de régulation, nous avons aussi dû concevoir une gamme variée et complexe de logiciels qui complètent les acquis tangibles de cette thèse. D'abord commencé à l'Ecole Polytechnique de Montréal, ce projet a été complété durant un stage de deux ans au laboratoire d'analyse dynamique du Centre d'Etudes Nucléaires de Chalk River.

Abstract

This project studied the problems of designing a multi-variable regulator for a nuclear power station of the Gentilly-2 type. From a non-linear model called U2SIM, we derived a reduced non-linear model which has been linearized around steady state operating conditions. This linearization gave a linear model described by state-space equations. To validate the linear model also called G2LDM, we compared open-loop simulation results of G2SIM and G2LDM for several disturbances. The conclusions of this validation showed good agreement between transient responses of both models. Some important properties of G2LDM were assessed by performing controllability and observability tests, cyclicity and rank tests. we also performed eigenanalysis to determine unstable and dominant modes and to evaluate the change of these modes with different operating conditions. After a critical review of existing design techniques for multivariable controllers, we decided to explore the avenue of pole shifting with output feedback. Using and extending the results of some authors, we derived a comprehensive set of application-oriented algorithms which allow multivariable controller design with closed-loop pole-assignment techniques. These algorithms are implemented in a sophisticated computer-aided-design package via several modules. The controller designed for the linear model G2LDM using these modules showed excellent performance. Then we designed a general scheme for the implementation of a multivariable controller in G2SIM and introduced the designed controller inside the non-linear model. After adjustments of controller gains, mainly in the dynamic section of the feedback, the simulation results showed that the performance of the multivariable controller on G2SIM are satisfactory. Along with this project which covered almost all the steps in the design of a control system, we developed a set of computer codes which added to the net gains of this thesis. Started at scale Polytechnique de Montréal, this project was completed during a two year stage at Chalk River Nuclear Laboratories of Atomic Energy of Canada Limited.