Soutenance de thèse, Gabriel GODART, 16 juin 2026
Commande par inversion de l’accélérateur de particule Proton Synchrotron
mardi 16 juin 2026 à 9h00
Bâtiment ESPRIT, Amphithéâtre Atrium
Résumé
Les accélérateurs de particules nécessitent des convertisseurs performants pour générer des champs magnétiques précis permettant le contrôle du faisceau de particules. Dans les synchrotrons tels que le Proton Synchrotron au CERN, ces convertisseurs doivent fournir des profils de champs magnétiques dynamiques avec une précision extrême tout en gérant de grandes quantités d’énergie. Le Proton Synchrotron utilise un convertisseur de puissance multi-étage pulsé, nommé POPS, conçu pour répondre à ces exigences. Son contrôle est particulièrement complexe en raison des couplages entre les sous-systèmes, des contraintes de précision strictes et de la nécessité d’assurer une stabilité des variables internes. Cette thèse concerne l’application d’une commande par inversion, dérivée de la Représentation Énergétique Macroscopique (REM) du POPS. L’objectif est de développer une structure de commande flexible capable d’assurer un suivi précis du champ magnétique tout en gérant les flux d’énergie internes et en maintenant la stabilité du système. Cette flexibilité est indispensable aux extensions futures du POPS. Un modèle détaillé du POPS est d’abord développé et organisé à l’aide du formalisme REM, en partant d’un convertisseur unitaire et en l’étendant à l’ensemble du système multi-convertisseurs. Cette approche de modélisation met en évidence les échanges d’énergie et la causalité du système, offrant une base solide pour la conception de la commande. À partir de cette représentation, une commande par inversion en est systématiquement déduite. La stratégie de commande proposée est validée par simulation, démontrant sa capacité à atteindre une grande précision de suivi de référence (de l’ordre de la centaine de ppm, partie par million), à réguler les tensions des condensateurs et à contrôler les courants internes. Une validation expérimentale est réalisée sur une plateforme à échelle réduite, confirmant la faisabilité et la robustesse de l’approche et son implémentation en temps réel. Les résultats montrent que la commande par inversion constitue une alternative interprétable et flexible comparé à la commande initiale RST, avec un potentiel pour les systèmes d’électronique de puissance complexes. Ce travail contribue au développement de stratégies de commande avancées pour les convertisseurs de puissance des accélérateurs de particules et contribue aux futures évolutions du POPS ainsi que les accélérateurs de nouvelle génération.
Mots-clés
Accélérateurs, Méthodes de contrôle pour systèmes électriques, Contrôle numérique
Abstract
Particle accelerators rely on high-performance power converters to generate precise magnetic fields for beam control. In synchrotron machines such as the Proton Synchrotron at CERN. These converters must deliver high-dynamic magnetic fields profiles with extreme accuracy while managing large amounts of energy. The POwer converter for Proton Synchrotron (POPS) is a pulsed power supply system designed to meet these requirements by combining capacitive energy storage with multi-stage power conversion. Its control is particularly challenging due to strong coupling between subsystems, stringent precision constraints, and the need to ensure stable operation under varying conditions. This PhD investigates the application of inversion-based control derived from Energetic Macroscopic Representation to the POPS system. The objective is to develop a flexible control structure capable of ensuring accurate magnetic field tracking while managing internal energy flows and maintaining system balance. This flexibility is required for future extensions of POPS. A detailed model of the POPS architecture is first developed and organized using the EMR formalism, starting from a unitary converter and extending to the complete multi-converter system. This model organization highlights energy exchanges and system causality, providing a clear framework for control design. Based on this representation, an inversion-based control structure is systematically derived. The proposed control strategy is validated through simulation, demonstrating its ability to achieve high tracking accuracy, regulate capacitor voltages, and control internal currents. An experimental validation is carried out on a reduced-scale platform, confirming the feasibility and robustness of the approach in real-time. The results show that inversion-based control offers a transparent and flexible alternative to the initial RST control, with strong potential for complex power electronic systems. This work contributes to the development of advanced control strategies for accelerator power converters and supports future evolutions of the POPS system and next-generation accelerator infrastructures.
