Choix Des Boucles De Régulation

Choix des boucles de régulation

Une boucle de régulation est constituée d'un ou plusieurs capteurs qui mesurent une grandeur physique (que l'on veut contrôler), reliés au système de commande d'une machine qui peut modifier cette grandeur physique.

Selon la chaîne

Pour réaliser un système automatique de réglage quelconque il faut tout d'abord définir le besoin (tolérance aux fluctuations, temps de réaction, ...) et les moyens de mesure et d'actions dont on dispose : réglage « tout ou rien » ou réglage fin et continu analogique ou numérique.

Le réglage « tout ou rien » est assez simple à mettre en œuvre : thermostat, poire de niveau, pressostat... S'il ne suffit pas, il faudra étudier d'une part le fonctionnement du système à équiper et d'autre part le modéliser.

Pour cela, on déterminera donc les paramètres entrant et sortant et on en définira la structure fonctionnelle, on en déduira donc la fonction de transfert.

On affectera alors pour chacune des entrées / sortie une fonction paramètre que nous noterons :

• grandeur réglante : GR, c'est en fait une grandeur pertubatrice du schéma fonctionnel que l'on choisira judicieusement pour contrôler le paramètre à régler.
• grandeur à régler : GAR c'est le paramètre à contrôler (pression, débit, température...)
• grandeur perturbatrice : GP c'est un (ou plusieurs) paramètres qui influencent le système étudié, ils sont à contrer absolument !
• organe réglant : OR c'est l'actionneur de la boucle (vanne, résistance, moteur...)
• la consigne : C ce signal permet de régler le paramètre réglé à la valeur désirée.

Fichier:Structure fonctionnelle d'une boucle de regulation.JPG

Une fois que toute l'analyse du système est faite, il faut choisir le type de boucle à installer. Il en existe trois :

1. la boucle fermée,
2. la boucle ouverte,
3. la boucle d'asservissement,

Régulation chaîne ouverte

Article détaillé : Contrôle en boucle ouverte.

• la boucle ouverte : la grandeur perturbatrice agit sur la grandeur réglante. Cette boucle n'est pas une boucle de régulation mais un complément à la boucle fermée. On l'utilise principalement pour anticiper l'évolution d'une perturbation en agissant directement sur l'organe de réglage. Cette boucle est très rapide mais pas précise

Régulation chaîne fermée

• La boucle fermée : la grandeur à régler agit sur la grandeur réglante. C'est la boucle, de régulation de base, on la reconnaît car elle est équipée d'une consigne. Elle peut être seule ou agrémentée d'une boucle ouverte et/ou d'asservissement. Cette boucle est précise mais lente.

Régulation chaîne d'asservissement

• La boucle d'asservissement : la grandeur réglante agit sur l'organe réglant. Ce dispositif (esclave) permet de contrôler que l'organe de réglage agit de manière optimale ; cette boucle compare la demande de la boucle fermée (maître) avec la mesure réelle du paramètre qui est réglé. Elle ne peut être associée qu'à une chaîne fermée.

Choix des structures

Les différents types de boucles étant connus, il faut déterminer une structure. L'étude fonctionnelle du système réalisée en amont nous a permis de modéliser le système en blocs fonctionnels.

• uni-boucle

De manière évidente, on utilisera au minimum une boucle fermée, raison de plus s'il n'y a aucune grandeur perturbatrice autre que la grandeur réglante du système.

• multi-boucles

Dans le cas où plusieurs grandeurs perturbatrices sont identifiées, on utilisera une boucle fermée pour la boucle principale sur laquelle s'imbriquent une ou plusieurs boucles ouvertes. Chacune de ces boucles ouverte intervient dans la boucle fermée par le biais d'un correcteur calculé (généralement un sommateur).

• régulation cascade

Si la grandeur à réglante n'est elle-même pas stable, on ajoutera alors une boucle d'asservissement à la boucle fermée (équipée ou non de boucle ouverte). Celle-ci corrigera en temps réel la position de l'organe réglant pour obtenir la valeur du paramètre demandée par la régulation principale. Exemple: cas d'un réglage de débit par une vanne ; l'ouverture de la vanne provoque une chute de pression en amont. Cela implique alors une réduction du débit ; la boucle d'asservissement compare la demande à la valeur réelle mesurée et actionne la vanne en fonction.

• régulation de proportion

Ce type de boucle se trouvera en général dans l'industrie chimique par exemple, elle sert à doser un mélange liquide ou bien gazeux. L'application la plus connue est par exemple l'alimentation d'une chaudière ; la quantité de comburant (air) doit être proportionnelle et adaptée au carburant (gaz, fuel...). Dans cet exemple, on modifiera la boucle pour que dans tous les cas la chaudière fonctionne en excès d'air afin de limiter la pollution, mais aussi pour éviter tout risque d'explosion ; le débit d'air devra toujours être en avance (en excès) sur celui du carburant.

• split range

Ce type de boucle permet de partager la gamme de réglage d'un paramètre en plusieurs parties ; en général deux. On trouve ce genre de régulation en climatisation chaud froid : par exemple la commande de 0% à 50% agit sur une vanne NO affectée à de l'eau glycolée (Froid) qu'elle ferme progressivement et de 50% à 100% sur une vanne NF affectée à de la vapeur surchauffée (Chaud) qu'elle ouvre progressivement. Ainsi on passe de 0% refroidissement maximal à 100% chauffage maximal en passant par 50% action neutre. Le partage n'est pas toujours à 50% mais peut être décalé pour linéariser le procédé de commande. On trouve encore très souvent ce type de boucle sur certains réglages de débits, comme par exemple l'alimentation en eau des générateurs de vapeur (générateur de vapeur) ou l'alimentation en vapeur d'une turbopompe d'une centrale nucléaire. Pour cet exemple, on partage l'échelle de débit en une gamme 0-20% pour un réglage fin des niveaux des générateurs de vapeur à faible puissance et 20-100% pour le reste de l'étendue pour un contrôle optimal des niveaux en puissance. Les vannes de la gamme 0-20% restent totalement ouvertes au delà de 20%. On associe alors les vannes de réglages de caractéristiques différentes en parallèle

Réglages

Maintenant que la structure est définie, on détermine, de manière calculatoire (ou par abaques) les valeurs des coefficients à afficher. On réalise pour ce faire la réponse indicielle du système. On instrumente alors le système pour obtenir un enregistrement de la réponse du système à une sollicitation d'entrée.

La forme de réponse obtenue est identifiée à un modèle mathématique connu (STREJC, PROVOUST, BROIDA...) : on a la fonction de transfert du système. Grâce à celle-ci, on déterminera mathématiquement :

• la structure du régulateur ;
• les valeurs d'actions (P, I, D) à afficher ;
• la rapidité et la précision de la boucle ;
• la stabilité.

• méthode du régleur.

À l'affichage des actions correctrices sur le régulateur on peut peaufiner les réglages avec la méthode du régleur. Cette méthode est largement répandue dans l'industrie, elle nécessite de la méthode et de la patience. Néanmoins, pour son application, il faut avoir la maîtrise des phénomènes physiques et surtout connaître l'impact des modifications apportées.

Dans un premier temps, on annule la dérivée et l'intégrale. On règle la proportionnelle pour obtenir la rapidité souhaitée, la précision ne sera de toute façon jamais parfaite car l'écart de statisme subsiste. Si cet écart n'est pas gênant pour le fonctionnement du système, alors il n'est pas nécessaire de régler le terme intégrale. En revanche, si l'on règle un gain très important, on obtiendra une précision plus importante mais une stabilité de la boucle plus précaire.

Il faudra alors ajouter de la dérivée pour « stabiliser » la boucle. Les termes de « stabilité » et de « précision » sont un compromis ; en clair, il n'est pas nécessaire de régler ces deux termes de manière excessive mais raisonnée. En effet, le gain améliore la précision et la dérivée, la stabilité.

Dans certain cas, il faudra ajouter de l'intégrale, l'effet de celle-ci sera d'éliminer l'écart de statisme non corrigé par le proportionnel. Toutefois, l'ajout d'intégrale tend à ralentir la boucle et à la rendre plus instable, on corrigera alors avec un peu de dérivée.

En règle générale, cette méthode est utilisée en maintenance car elle ne nécessite pas l'arrêt du système et est facile à appliquer. Une modification même minime du système (vanne, température, viscosité d'un liquide, pression, débit...) modifie la fonction de transfert du système donc des corrections à apporter (P,I,D) au régulateur.

Paramètres de correction P, I et D

Article détaillé : Régulateur PID.

• Régulateur proportionnel.

Il est de loin le plus utilisé car sa conception est simple (amplificateur) et facile à mettre en œuvre.

Le rôle de l’action P est de réduire l’erreur de réglage. On utilise un régulateur P lorsque la précision n’est pas importante. Le réglage par exemple du niveau d’eau dans un réservoir de stockage. L’action P est souvent suffisante pour régler plusieurs systèmes dans l’industrie. Néanmoins, il subsiste toujours un écart appelé écart de statisme. Cet écart n'est pas et ne peut pas être corrigé par ce régulateur. Il est simple à réaliser (simple amplificateur) d’où son grand avantage. Dans l’industrie tous les processus annexes (utilités, stockage etc.) sont conduits par des régulateurs P (pneumatiques en général)

• Régulateur proportionnel et Intégral (PI).

Réponse indicielle.

Le temps d’intégration Ti [sec.] ou 1/Ti en nombre de répétition par minute

Le rôle principal de l’action intégrale est d’éliminer l’erreur statique. Toutefois l’augmentation de l’action intégrale produit une instabilité. Dans l’industrie, on utilisera l’action I chaque fois que nous avons besoin, pour des raisons technologiques, d’avoir une précision parfaite. Exemple : la régulation de la pression ou température dans un réacteur nucléaire. De plus, il faut souligner que l’action I est un filtre donc il est intéressant de l’utiliser pour le réglage des paramètres très dynamiques tels que la pression.

• Régulateur proportionnel, intégral et dérivé (PID).

L’action dérivée compense les effets du temps mort du processus tant que celui-ci ne dépasse pas la moitié de la constante de temps du procédé. Elle a un effet stabilisateur. La présence de l’action dérivée permet donc d’augmenter la rapidité du système. Dans l’industrie, l’action D n’est jamais utilisée seule mais en général avec l’action intégrale. On recommande de l’utiliser pour le réglage des paramètres lents tels que la température.

Le résumé qu’il faut connaître...

P → L'action proportionnelle corrige de manière instantanée, donc rapide, tout écart de la grandeur à régler, elle permet de vaincre les grandes inerties du système par l'ajout d'un gain. Le régulateur P est utilisé lorsque l'on désire régler un paramètre dont la précision n'est pas importante.

I → L'action intégrale complète l'action proportionnelle. Elle permet d'éliminer l'erreur résiduelle en régime permanent. L'action intégrale est utilisée lorsque l’on désire avoir une précision parfaite.

D → L'action dérivée, en compensant les inerties dues au temps mort, accélère la réponse du système. L'action D est utilisée dans l'industrie pour le réglage des variables lentes telles que la température.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Régulation automatique
• Rétroaction
• Stratégie de régulation

Liens externes

Bibliographie

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