Note publique d'information : La décongélation est une étape clé de l’industrie alimentaire à plusieurs titres :
la remise en température d’un produit s’accompagne généralement d’une reprise d’activité
microbiologique et cette opération est particulièrement consommatrice d’énergie. De
plus, la qualité finale du produit est étroitement liée à la technique utilisée. Ainsi,
la décongélation doit être une opération rapide, durant laquelle le produit doit rester
homogène en température, ne pas subir de transformation non souhaitée ou encore de
dégradation sur un plan aussi bien organoleptique que microbiologique. La décongélation
par micro-ondes répond bien au critère de rapidité, mais elle présente des hétérogénéités
de chauffage, phénomène appelé emballement thermique. Dans ce mémoire, nous proposons
de contrôler l’emballement thermique à l’aide d’algorithmes de commande avancée, en
agissant sur la puissance micro-onde et un jet d’air froid additionnel. Cette thèse
s’organise autour de trois grandes parties. La première partie est consacrée au développement
d’un modèle simple mais précis. Le terme source lié aux micro-ondes est calculé à
partir d’un fonction simple qui ne nécessite pas la résolution des équations de Maxwell,
ni la connaissance des propriétés diélectriques. Une géométrie 2D est considérée dans
un guide d’onde en mode fondamental TE01. Cette fonction peut alors être aisément
identifiée par des méthodes inverses. Le modèle obtenu est un modèle à paramètres
distribués non linéaire, qui est alors réduit en modèle à paramètres localisés, toujours
non linéaire, à l’aide d’un schéma aux volumes finis. La seconde partie est consacrée
à la reconstruction de l’état thermique interne du produit lors de la décongélation.
Pour cela, des observateurs (notamment Observateurs de Luenberger et Filtre de Kalman)
sont utilisés pour estimer le vecteur d’état à partir d’une seule mesure de température
de surface. La troisième partie traite de la mise en place de lois de commande pour
contrôler le procédé. Deux approches ont été proposées et comparées : la commande
LQE (linéaire quadratique Etendue) et la linéarisation Entrée / Sortie (Global Linarizing
Control). Des résultats ont été obtenus avec cette dernière, à la fois en configurations
mono et multivariable. Toutes les étapes de ce travail ont été validées expérimentalement
avec succès lors de la décongélation d’un produit modèle, la tylose, pour la reproductibilité
des expériences, et dont les propriétés thermophysiques sont proches de celles de
la viande de bœuf. Les expérimentations ont été réalisées à l’aide d’un générateur
micro-onde à puissance variable (mode fondamental TE01, 2,45 GHz).
Note publique d'information : Defrosting is a key operation of the food industry for several reasons: the heating-up
of a food material is usually associated with a renewal of microbiological activity,
particularly the consumption of energy. Moreover, the final quality of the product
is closely related to the technique used. Thus, the defrosting must be as short as
possible; the product must remain as homogeneous as possible and must not undergo
unexpected transformation or damage, either organoleptic or microbiological. The microwave-assisted
defrosting fits the rapidity criterion well, but has heating heterogeneities, i.e.,
a phenomenon called thermal runaway. In this report, we propose to use advanced control
laws to control the thermal runaway, by acting on the microwave power and on an additional
cooling air jet. This thesis is presented in three major parts. The first part is
dedicated to the design of a simple but accurate model. The source term, bound to
the microwaves, is computed using a simple function, which requires neither the resolution
of Maxwell’s equations nor the knowledge of the dielectric properties. A 2D geometry,
in a fundamental mode of propagation TE01, is considered. This function can easily
be evaluated using reverse techniques. The obtained model is a nonlinear distributed
parameters system, which is finally reduced in a lumped parameter, nonlinear, using
a finite volumes scheme. The second part deals with the internal thermal state of
the product during the defrosting. Observers (Luenberger’s observers or Kalman Filters)
are used for the reconstruction of the whole state vector from a single surface temperature
measurement. In the third part, two control approaches applied to our process are
presented. The first one, based on the famous LQ technique, is extended to the nonlinear
case and discussed in terms of advantages and limits. The second one, the Global Linearizing
Control, is presented and carried out in SISO and MIMO configurations. All the steps
of this work have been successfully validated during the defrosting of a model product,
tylose, which has thermal properties close to that of beef muscle, for the repeatability
of the operations Experiments have been realized thanks to a microwave with a variable
power generator (fundamental mode TE01, 2.45 GHz)
paprika.idref.fr
data.idref.fr
Documentation
