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L’automatique et l’environnement : comprendre et agir sur le traitement biologique de l’eau

En collaboration avec ses collègues du Laboratoire d’ingénierie des systèmes biologiques et des procédés (CNRS/Inra/Insa Toulouse), Isabelle Queinnec, directrice de recherche CNRS au Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes du CNRS (LAAS-CNRS) et directrice du groupement de recherche Modélisation, analyse et conduite des systèmes dynamiques (MACS), mène des recherches en automatique autour de la modélisation, de l’observation et de la commande de procédés biologiques du traitement de l’eau.

Du point de vue de la modélisation, Isabelle Queinnec et ses collègues s’attachent à décrire l’évolution dans le temps, et éventuellement dans l’espace, des concentrations de micro-organismes et de matières polluantes dans l’eau, par exemple les phénomènes de croissance ou de détachement de biofilms dans des canalisations, ou plus récemment, les différentes voies de production biologique du protoxyde d’azote (N2O), un gaz à effet de serre. Leurs modèles sont décrits qualitativement sous forme d’équations aux dérivées ordinaires, qui décrivent l’évolution dans le temps, ou aux dérivées partielles (évolution dans le temps et l’espace, comme c’est le cas par exemple pour les biofilms). Une étape d’identification et de calibrage des modèles est ensuite nécessaire pour pouvoir les utiliser afin d’analyser, de prédire ou de modifier le comportement du système.

Du point de vue de l’observation, ils cherchent à reconstituer la dynamique des variables non mesurées à partir de celles qui sont mesurées, en exploitant les modèles précédemment établis. Ils ont notamment reconstitué l’évolution de la charge de pollution en entrée et sortie d’une station d’épuration à partir de l’exploitation des dynamiques de l’oxygène et du potentiel d’oxydo-réduction, des variables facilement mesurables.

Enfin, du point de vue de la commande, ils s’intéressent au maintien d’un régime de fonctionnement optimal. Par exemple, la commande en boucle fermée permet de contrôler des systèmes pour lesquels l’action optimale consiste à augmenter exponentiellement le débit d’alimentation en nutriments. Ce type d’action ne peut pas être géré en boucle ouverte, car un débit mal ajusté se traduirait soit par une limitation (apport insuffisant) soit par une inhibition (apport trop important), réduisant dans les deux cas les performances du procédé. La commande permet aussi de limiter les apports énergétiques tout en maintenant le procédé dans son bon état de fonctionnement. Dans ce contexte, le contrôleur "sait" prendre en compte les perturbations, les saturations des actionneurs et/ou les retards de transmission des informations.

Des nouvelles problématiques émergent autour du contrôle du basculement entre différents modes de traitement. Le pilotage à distance des installations et l’instrumentation des conduites, entre les points de prélèvement et la station de traitement, est un enjeu de recherche majeur aujourd’hui : les communications sont en effet limitées à travers un réseau, ce qui peut entraîner des retards et de pertes d’informations.

Extrait du dossier de presse L’ère de l’automatique, à l’occasion d’IFAC 2017