Choix des boucles de régulation

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

Selon la chaîne

Pour réaliser un dispositif automatique de réglage quelconque il faut dans un premier temps 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 dispositif à équiper et d'autre part le modéliser.

Pour cela, on déterminera par conséquent les paramètres entrant et sortant et on en définira la structure fonctionnelle, on en déduira par conséquent 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 qu'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 dispositif étudié, ils sont à contrer totalement !
• organe réglant : OR c'est l'actionneur de la boucle (vanne, résistance, moteur... )
• la consigne : C ce signal sert à régler le paramètre réglé à la valeur désirée.

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

Une fois que toute l'analyse du dispositif 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

• 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 essentiellement pour anticiper l'évolution d'une perturbation en agissant directement sur l'organe de réglage. Cette boucle est particulièrement 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 système (esclave) sert à 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 dispositif réalisée en amont nous a permis de modéliser le dispositif en blocs fonctionnels.

• uni-boucle

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

• 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 généralement dans l'industrie chimique par exemple, elle permet de 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 l'ensemble des cas la chaudière fonctionne en excès d'air pour limiter la pollution, mais également 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 sert à partager la gamme de réglage d'un paramètre en plusieurs parties ; généralement 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 forcément à 50% mais peut être décalé pour linéariser le procédé de commande. On trouve toujours fréquemment 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 complètement 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 cœfficients à afficher. On réalise pour ce faire la réponse indicielle du dispositif. On instrumente alors le dispositif pour obtenir un enregistrement de la réponse du dispositif 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 dispositif. 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 beaucoup 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 en particulier connaître l'impact des modifications apportées.

Tout d'abord, on annule la dérivée et l'intégrale. On règle la proportionnelle pour obtenir la rapidité souhaitée, la précision ne sera de toute façon jamais idéale car l'écart de statisme subsiste. Si cet écart n'est pas gênant pour le fonctionnement du dispositif, alors il n'est pas indispensable de régler le terme intégrale. Par contre, si on règle un gain particulièrement 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 indispensable de régler ces deux termes de manière excessive mais raisonnée. En effet, le gain perfectionne 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. Cependant, l'ajout d'intégrale tend à ralentir la boucle ainsi qu'à la rendre plus instable, on corrigera alors avec légèrement de dérivée.

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

Paramètres de correction P, I et D

• 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 diminuer l'erreur de réglage. On utilise un régulateur P quand la précision n'est pas importante. Le réglage par exemple du niveau d'eau dans un réservoir de stockage. L'action P est fréquemment suffisante pour régler plusieurs dispositifs dans l'industrie. Néanmoins, il subsiste toujours un écart nommé 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 l'ensemble des processus annexes (utilités, stockage etc. ) sont conduits par des régulateurs P (pneumatiques généralement)

• 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. Cependant 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 idéale. Exemple : la régulation de la pression ou température dans un réacteur nucléaire. De plus, il faut souligner que l'action I est un filtre par conséquent il est intéressant de l'utiliser pour le réglage des paramètres particulièrement dynamiques tels que la pression.

• Régulateur proportionnel, intégral et dérivé (PID).

L'action dérivée compense les effets du temps mort du processus tant que ce dernier ne dépasse pas la moitié de la constante de temps du procédé. Elle a un effet stabilisateur. La présence de l'action dérivée permet par conséquent d'augmenter la rapidité du dispositif. Dans l'industrie, l'action D n'est jamais utilisée seule mais généralement 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, par conséquent rapide, tout écart de la grandeur à régler, elle sert à vaincre les grandes inerties du dispositif par l'ajout d'un gain. Le régulateur P est utilisé quand 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 quand on désire avoir une précision idéale.

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

Voir aussi

Bibliographie

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