Contribution to the optimization of food process control
Contribution à l'optimisation de la conduite des procédés alimentaires
Résumé
The main objective of this work is the development of a methodology to calculate the optimal operating conditions applicable in food processes control. In the first part of this work, we developed an optimization strategy in two stages. Firstly, the optimisation problem is constructed. Afterwards, a feasible optimisation method is chosen to solve the problem. This choice is made through a decisional diagram, which proposes a deterministic (sequential quadratic programming, SQP), a stochastic (genetic algorithm, GA) or a hybrid (AG-SQP) method. This methodology is adapted to the food processes characteristics: dynamic, nonlinear, multivariable systems, subjected to several constraints. The model based optimization is carried out numerically. In the second part, the methodology is successfully applied to three food processes in order to obtain the control profiles that optimise an economic, technological or quality criterion. Hence, a batch rice drying process, a pork meat dehydration-impregnation soaking process and a continuous baking process, were optimised. These three applications underline the optimization strategy ability to handle the different optimisation problems found in the food processes, and in addition, the benefits of using the optimal control policies. This methodology can be applied in several food processes. Nevertheless, the results feasibility depends on the use of an accurate model system, the calculation taking into account the real raw material characteristics, and the application of a good control system to track the optimal profiles.
L'objectif principal de cette thèse est la mise au point d'une méthodologie de travail pour l'optimisation, hors ligne, des conditions opératoires applicables en conduite des procédés alimentaires. La première partie du travail est consacrée à l'élaboration d'une stratégie d'optimisation en deux étapes : la construction du problème d'optimisation et le choix de la méthode de résolution. Ce dernier point est réalisé à l'aide d'un diagramme décisionnel, qui propose une méthode d'optimisation déterministe (la programmation quadratique séquentielle, SQP), une méthode stochastique (l'algorithme génétique, AG) ou bien, une méthode hybride (AG-SQP). La méthodologie est adaptée aux caractéristiques des procédés alimentaires, c'est-à-dire à des systèmes dynamiques, non linéaires, multivariables et soumis aux contraintes diverses. L'optimisation est réalisée numériquement à l'aide d'un modèle dynamique du système. Dans la deuxième partie du travail, la méthodologie est appliquée à trois procédés alimentaires afin d'obtenir les trajectoires des variables de commande optimisant un critère économique, technologique ou de qualité : un procédé discontinu de séchage du riz, un procédé discontinu de déshydratation, imprégnation d'un produit carné par immersion et un procédé continu de cuisson des biscuits. Ces trois applications mettent en évidence, d'une part, la capacité de la stratégie d'optimisation à gérer différents types de problèmes posés par les procédés alimentaires, et d'autre part, le bénéfice qu'une démarche d'optimisation peut apporter lors de la conduite des procédés. Cette méthodologie peut être appliquée dans un grand nombre des procédés alimentaires. La performance des résultats dépend néanmoins de l'utilisation d'un modèle de système fiable, de la prise en compte des caractéristiques de la matière première lors du calcul de l'optimum et de la poursuite des conditions optimales à l'aide d'un bon système de commande.
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