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JEAN RUEL
DEVELOPPEMENT DE SIMULATEURS DE
PROCÉDÉS POUR LA COMMANDE
AUTOMATIQUE ET L'OPTIMISATION
Approche de conception hybride avec Modelica et
Matlab/Simulink
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures de l'Université Laval
dans le cadre du programme de maîtrise en génie électrique
pour l'obtention du grade de maître es sciences (M. Sc.)
DEPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE ET DE GENIE INFORMATIQUE
FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC
2010
©JEAN RUEL, 2010

Ill
Résumé
Cet ouvrage a trait à la modélisation, à la conception de simulateurs et au contrôle de
procédés. La simulation de procédés est employée largement pour l'enseignement des
notions relatives au contrôle et aussi dans l'industrie pour, par exemple, tester au préalable
de nouvelles stratégies de commande. Afin d'évaluer la pertinence de proposer une
approche de conception de simulateurs, cet ouvrage passe d'abord en revue les principaux
logiciels commerciaux de simulation disponibles sur le marché dans les domaines du génie
chimique, du génie métallurgique et du traitement des eaux. Ensuite, différentes approches
de conception de simulateurs de procédés dont la description du fonctionnement est basée
sur des équations différentielles et algébriques sont présentées. À cet effet, quelques
méthodes d'implantation d'un système d'équations de cette nature à l'aide de
l'environnement de développement causal Matlab/Simulink sont exposées. Puis, étant
donné l'importance croissante de la nouvelle approche de modélisation acausale utilisant
l'approche orienté-objet et orienté-équation, deux environnements (Maple/MapleSim et
Dymola) comportant une passerelle vers Matlab/Simulink et supportant cette approche via
le langage Modelica sont présentés. Les simulateurs réalisés au cours de ce projet sont un
réservoir avec élément chauffant, un ensemble de quatre procédés simples caractérisés par
des réactions chimiques à l'intérieur de réacteurs, un bioprocédé de culture de microalgues
en photobioréacteur et, finalement, un procédé minéralurgique de broyage couplé à la
séparation par flottation. Pour les deux derniers procédés, des exemples de stratégies de
contrôle basées sur la commande algébrique en continu sont présentés afin d'illustrer
l'utilisation des simulateurs dans un contexte pratique.

IV
Avant-Propos
Cette maîtrise fait suite à une demande de congé avec solde pour un perfectionnement
de type maîtrise que j'ai obtenu suite aux modifications apportées à la convention collective
des enseignants de CEGEP en 2005. Un retour aux études en génie électrique près de 20
ans après avoir complété ma scolarité au niveau du baccalauréat a été un défi de taille.
Depuis mon dernier passage, les outils de travail ont beaucoup changé. Par exemple,
j'utilisais une version DOS de Matlab lors de mon baccalauréat alors que maintenant,
Matlab est désormais une application sous Windows constituée de plusieurs modules
d'extension (toolbox) et comporte une interface graphique pour la simulation (Simulink).
Cette aventure a été ponctué d'un rebondissement majeur qui a entraîné mon absence
pendant quelques mois à l'automne 2008 suite à la nouvelle que mon enfant de 6 mois était
atteint d'une cardiomyopathie hypertrophique incurable et que seulement une greffe du
cœur pouvait le sauver. Heureusement pour lui, les efforts n'ont pas été vains et mon enfant
a finalement été greffé avec succès à Ste-Justine à la fin de l'année 2008, ce qui m'a permis
de continuer mon cheminement. Ensuite, ayant développé un cancer en décembre 2009
suite à un virus contracté lors de la greffe et conséquemment à son traitement
immunosuppressif, j'ai dû composer avec cette situation jusqu'à la fin de la rédaction de ce
mémoire à l'été 2010.
Habituellement, cette section est réservée aux remerciements aux professeurs qui ont
soutenu l'effort de l'étudiant, mais étant donné les circonstances, je ne pouvais passer sous
silence la contribution du personnel des centres hospitaliers du CHUL et de Ste-Justine, de
LEUCAN, de la Fondations EnCoeur et du Manoir McDonald qui ont permis à la vie de
continuer et qui nous ont appuyés durant cette série d'épreuves...
Du côté du corps professoral, d'abord un gros merci à M. Éric Poulin mon directeur
qui m'a soutenu à tous les instants et qui m'a permis de compléter son cours de l'automne
2008 via un cheminement particulier. Il en va de même pour M. André Desbiens qui m'a
aussi permis de compléter son cours de l'automne 2008 via un cheminement particulier.
Étant moi-même enseignant, je sais pertinemment ce que cela implique et ce fût réellement

très apprécié. Mes remerciements vont aussi à M. Jean-Sébastien Deschênes pour son
support au niveau du bioprocédé et de SimulPro, à M. Carl Duchesne pour sa suggestion
des procédés étalons dans le domaine du génie chimique ainsi qu'à M. Daniel Hodouin
pour son support indéfectible lors du développement du simulateur de procédé de broyage
et de flottation.