1. Technologie des régulateurs ?· 19 Technologie et réglage des régulateurs 1. Technologie des régulateurs…

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    15-Sep-2018

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    Technologie et rglage des rgulateurs

    1. Technologie des rgulateurs

    1.1 Dfinition

    Un rgulateur est un mcanisme automatique qui labore un signal de commande U en fonction de lcart de rglage M-C selon un algorithme donn f : U=f((M-C))

    1.2 Les diffrentes parties d'un rgulateur

    Les signaux:

    M : mesure, elle provient du transmetteur (grandeur rgler), elle est normalise (4 -20 mA, 0,2 -1 bar)

    C : Consigne externe (elle provient dun instrument extrieur) ou interne.

    U : Sortie du rgulateur, signal de commande, qui actionne lorgane de rglage (vanne) (4 - 20 mA, 0,2 -1 bar)

    Les blocs

    Chapitre 3

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    1.3 Signaux reus et transmis par un rgulateur :

    Ce sont des signaux analogiques continus dont les plus courants sont :

    - pneumatiques Pm de 200 1 000 hPa ou (mbar)ou bien Pm de 3 15 PSI

    - lectriques Im de 4 20 mAou bien Im de 10 50 mA

    etc

    1.4 Les diffrentes parties d'un rgulateur et Quelques indications sur les rgulateurs industriels

    Les rglages

    Rglage de la consigne

    Rglage des actions P, I et D

    Rglages des limites de la sortie du rgulateur pour ne pas endommager la vanne

    Rglage de la sortie en position manuelle

    Les slecteurs

    Consigne interne et externe

    Sens daction du rgulateur

    Passage du mode automatique manuel

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    Les indicateurs

    Indicateur de consigne

    Indicateur de mesure

    Indicateur de lerreur de rglage

    Indicateur de la sortie du rgulateur

    Quelques indications sur les rgulateurs industriels

    Mesure : PV (process variable) Consigne interne : L ou Local

    Sortie : OUT (output) Consigne externe D ou R (Distance ou Remote)

    Consigne : SP (set point) Consigne suiveuse PVT : Process Variable Tracking

    Direct : Direct ou Decrease I : Inverse ou Increase

    (+) : Directe (-) : Inverse

    Manuel : M, MAN ou Manual Auto : A, Aut. Auto

    Limites hautes : O.H. ou L.H. Limites basses : O.L. ou L.B

    1.5 Classification des rgulateurs

    Les rgulateurs sont classs comme suit :

    Selon la nature de lnergie quils utilisent

    Pneumatique : sortie 0.2 1 bar. Ils sont utiliss dans lindustrie chimique du gaz, ne prsentent pas de danger dexplosion, de moins au moins utiliss car lents et encombrants.

    Les rgulateurs pneumatique, toujours prsents sur le march, ont un aspect similaire et avec des possibilits identiques celles des rgulateurs lectroniques.

    Les signaux dentre et de sortie, sont des pressions dair modules, dont lchelle est gnralement 0.2 1 bar. La consigne externe est souvent en option.

    Un moteur pas pas, permet de piloter le point de consigne dans le cas dune commande par calculateur.

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    Rgulateur pneumatique quilibre de moments de forces

    Electronique : sortie 4-20 mA utilisent des signaux analogiques base damplificateurs oprationnels.

    Ces rgulateurs utilisent une lectronique analogique, base damplificateurs oprationnels, ils cdent le pas la technologie numrique, mais sont encore nombreux dans lindustrie.

    Numrique : Sortie sous forme numrique. La technologie numrique permet davoir une grande souplesse : opration arithmtique, auto ajustage des coefficients, possibilit d'mettre ou de recevoir des donnes. La diffrence fondamentale dans la prsentation de ces rgulateurs est un clavier oprateur, intgr ou indpendant (micro console), permettant dmettre ou de recevoir des donnes.

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    La technologie numrique permet avec une grande souplesse, une extension des possibilits du rgulateur :

    - Possibilit davoir plusieurs entres,- Choix du signal dentre (courant, tension, frquence, couple

    thermolectrique, sonde platine,)- Traitement du signal dentre (extraction de racine carr, filtrage,

    linarisation,)- Mise lchelle ( valeur et format ) des indicateurs.- Choix du type dalarme, soit sur la mesure, soit sur lcart,- Affichage prcis des donnes telles quactions, limites, - Equilibrages automatiques- Choix du mode de drive, soit sur la mesure soit sur lcart,- Consigne suiveuse (tracking ), en position manuelle, la consigne suit la

    mesure.La technologie numrique permet, dans certains cas, au rgulateur de calculer lui-mme, les actions afficher, on distingue :

    - Les rgulateurs auto rglant qui calculent les actions PID un point de fonctionnement donn, et ce partir dune intervention humaine.

    - Les rgulateurs auto-adaptatifs qui calculent et ajustent en permanence les paramtres de leur algorithme ( PID ou autre ) en fonction de lvolution du procd.

    Une liaison numrique est prvue, permettant de relier et de faire communiquer le rgulateur avec dautres instruments tels que : superviseur, calculateur ou autres rgulateurs.

    Selon le type daction

    Rgulateur P

    Rgulateur PI

    Rgulateur PD

    Rgulateur PID

    Tout ou rien

    Selon le sens daction : le sens daction est inversible et est choisi en fonction de celui de la vanne. Le sens de celle ci est fix en fonction des conditions de scurit. Ainsi par exemple, une vanne de rglage dun gaz combustible doit tre ferme par manque dair.

    Direct - laugmentation de la mesure provoque laugmentation de la commande.

    Inverse - laugmentation de la mesure provoque la diminution de la commande.

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    Description du rgulateur numrique Foxboro 762

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    Description du rgulateur numrique Protronic 100

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    2. Actions des Rgulateurs PID

    2.1 Action proportionnelle

    2.1.1 Rappel

    Pleine chelle : C'est l'ensemble des valeurs que peut prendre l'entre mesure du rgulateur ; X de 0 100. Elle est gnralement rgle au niveau du rgulateur par deux paramtres, X_ {min} et X_ {max}.

    2.1.2 Prsentation

    BANDE PROPORTIONNELLE : BP

    Cest la variation en % de lentre du rgulateur ncessaire pour que la sortie varie de 100%. Elle est dautant plus faible que le gain est lev donc que le rgulateur est sensible : BP%=100/K.

    BP est de l'ordre de 3 400% dans les rgulateurs lectroniques

    Rponse indicielle de P-rgulateur

    2.1.3 Reprsentation fonctionnelle d'une rgulation proportionnelleDans le cas d'une rgulation action inverse, le schma fonctionnel dun rgulateur action proportionnelle est donn par la figure suivante :

    Kp = gain de correcteur : Xp

    100Kp

    Schma fonctionnel d'une rgulation proportionnelle

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    2.2 Action intgrale

    2.2.1 Qu'est-ce qu'une action intgrale ?On veut :

    Une action qui volue dans le temps ; Une action qui tend annuler l'erreur statique.

    Cette fonction est remplie par l'oprateur mathmatique : 'intgral par rapport au temps'. Ainsi, dans un rgulateur, on dfinie l'action intgrale partir d'un des deux paramtres Ti ou Ki avec :

    t

    t0

    t

    t0X(t))dt - W(t)(

    Ti

    1X(t))dt - W(t)(KiY(t)

    Ti est le temps intgral, dfinie en unit de temps. Ki le gain intgral, dfinie en coup par unit de temps.

    2.2.2 FonctionnementPour tudier l'influence de l'action intgrale, on s'intressera la rponse du module intgral un chelon. Plus Ki est grand (Ti petit), plus la valeur de la sortie Yaugmente rapidement. Le temps Ti est le temps pour que la commande Y augmente de la valeur de l'entre E=W-X.

    Influence de Ti sur la commande

    2.2.3 Supprimer l'action intgralePour annuler l'action intgrale, il existe plusieurs solutions, fonction du rgulateur. Si, on rgle l'action intgrale l'aide du gain Ki, il suffit de mettre Ki zro. Dans le cas o le rglage du gain intgral se fait l'aide du temps Ti, il y a deux solutions :

    Mettre Ti zro, si c'est possible ; Sinon mettre Ti sa valeur maximale. Si le correcteur est coopratif, il

    indiquera supp.

    2.2.4 Rle et domaine dutilisation de laction intgrale

    Dans les rgulateurs industriels on affiche 1/Ti, alors Ti est dautant plus grand que

    laction intgrale est faible. Le rle principal de laction intgrale est dliminer

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    lerreur statique. Toutefois laction intgrale est un lment retard de phase, donc

    laugmentation de laction intgrale (c..d. diminuer Ti) produit une instabilit. La

    valeur optimale est choisie pour satisfaire un compromis stabilit- rapidit. Si le

    systme possde lui mme un intgrateur (exemple niveau), laction I est quand mme

    ncessaire pour annuler lcart de perturbation car, suite aux variations de la consigne

    l'intrt de I est moindre car lcart sannule naturellement. Dans lindustrie, on

    utilisera laction I chaque fois que nous avons besoin, pour des raisons

    technologiques, davoir une prcision parfaite - exemple : la rgulation de la pression

    ou temprature dans un racteur nuclaire. De plus, il faut souligner que laction I est

    un filtre donc il est intressant de lutiliser pour le rglage des paramtres trs

    dynamiques tels que la pression.

    2.2.5 Action conjugue PI

    Dfinition

    Fonction de transfert:

    Rponse indicielle

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    La Bande Proportionnelle BP

    BP%=100/K

    Le temps dintgration Ti [sec.] ou en nombre de rptition par minute

    Sens physique de Ti, intgrons U(t) de 0 Ti :

    U=2K(M-C)+U0 = 2 fois l'action de P

    En gnral, le rgulateur ne fonctionne pas en action intgrale pure (trop instable). Il fonctionne en correcteur Proportionnel Intgral (PI). Le couple, Bande Proportionnelle - Temps Intgral, dfinit deux types de fonctionnement qui sont reprsents dans le tableau Suivant :

    Structures d'un rgulateur PI

    Consquences : Dans un rgulateur srie, la modification de la bande proportionnelle, entrane la modification de l'influence de l'action intgrale. Avant de procder au rglage du rgulateur, il est ncessaire de connatre sa structure interne.

    2.3 Action drive

    2.3.1 Qu'est-ce qu'une action drive ?

    C'est une action qui amplifie les variations brusques de la consigne. Elle a une action oppose l'action intgrale. Cette fonction est remplie par l'oprateur mathmatique : 'driver par rapport au temps'. Ainsi, dans un rgulateur, on dfinie l'action driv partir du temps driv Td avec :

    dtdTd.Y(t)

    Le temps driv Td s'exprimer en unit de temps.

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    Td reprsente l'cart, en temps entre les rponses proportionnelles seules (P), et proportionnelles drives(PD).

    Td est donc le temps d'avance d'une rponse PD par rapport une rponse en P seule.

    Afin de limiter la sortie dun rgulateur ayant une action drive, en pratique laction drive est filtre en ajoutant un lment de premier ordre. Laction drive pure Td.p

    devient alors :p1

    Td.pW(p)

    2.3.2 Fonctionnement

    Pour tudier l'influence de l'action drive, on s'intressera la rponse du module driv une rampe. Plus Td est grand, plus la valeur de la sortie Y sera importante. Le temps Td est le temps pour que l'entre E augmente de la valeur de la sortie Y.

    Influence de Td sur la commande

    2.3.3 Supprimer l'action drivePour annuler l'action drive, il suffit de mettre Td 0.

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    2.3.4 Rle et domaine dutilisation de laction drive

    Laction drive compense les effets du temps mort du process. Elle a un effet

    stabilisateur mais une valeur excessive peut entraner une instabilit. La prsence de

    laction drive permet donc daugmenter la rapidit du systme en augmentant le

    gain sans tre inquit par la stabilit. Dans lindustrie, laction D nest jamais utilise

    seule mais en gnral avec laction intgrale. On recommande de lutiliser pour le

    rglage des paramtres lents tels que la temprature. Par contre en prsence des

    paramtres bruits, laction drive est dconseille. En effet un signal bruit ayant

    par exemple la frquence du rseau (50 hz) sera amplifie en le drivant.

    2.3.5 Action conjugue PIDEn gnral, le rgulateur ne fonctionne pas en action drive pure (trop instable). Il fonctionne en correcteur Proportionnel Intgral Driv (PID). Le triplet, Bande Proportionnelle - Temps Intgral - Temps driv, dfinit trois types de fonctionnement qui sont reprsents dans le tableau suivant.

    Remarque : Les rgulateurs lectroniques (tous ceux de la salle de travaux pratiques) ont une structure mixte.

    Structures d'un rgulateur PID

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    2.3.6 Dterminer la structure interne d'un rgulateur

    Pour dterminer la structure d'un rgulateur, il faut l'isoler du systme (faire en sorte qu'il n'agisse plus sur la mesure) et le mettre en fonctionnement automatique. Il suffit alors de suivre le logigramme suivant (on observe la commande Y du rgulateur en rponse un chelon de la mesure X ou de consigne W). Pour avoir des mesures aises, on prendra les valeurs suivantes :

    Dtermination de la structure d'un rgulateurInfluence du temps driv

    2.4 Rsum des actions des corrections P, I et D

    Action Rle et domaine d'utilisation

    P

    L'action Proportionnelle corrige de manire instantane, donc rapide, tout

    cart de la grandeur rgler, elle permet de vaincre les grandes inerties du

    systme. Afin de diminuer l'cart de rglage et rendre le systme plus rapide,

    on augmente le gain (on diminue la bande proportionnelle) mais, on est

    limit par la stabilit du systme. Le rgulateur P est utilis lorsquon dsire

    rgler un paramtre dont la prcision n'est pas importante, exemple : rgler le

    niveau dans un bac de stockage.

    I

    L'action intgrale complte l'action proportionnelle. Elle permet d'liminer

    l'erreur rsiduelle en rgime permanent. Afin de rendre le systme plus

    dynamique (diminuer le temps de rponse), on diminue l'action intgrale

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    mais, ceci peut provoquer l'instabilit en tat ferm.

    L'action intgrale est utilise lorsquon dsire avoir en rgime permanent,

    une prcision parfaite, en outre, elle permet de filtrer la variable rgler d'o

    l'utilit pour le rglage des variables bruites telles que la pression.

    D

    L'action Drive, en compensant les inerties dues au temps mort, acclre la

    rponse du systme et amliore la stabilit de la boucle, en permettant

    notamment un amortissement rapide des oscillations dues l'apparition d'une

    perturbation ou une variation subite de la consigne.

    Dans la pratique, l'action drive est applique aux variations de la grandeur

    rgler seule et non de l'cart mesure-consigne afin d'viter les -coups dus

    une variation subite de la consigne.

    L'action D est utilise dans l'industrie pour le rglage des variables lentes

    telles que la temprature, elle n'est pas recommande pour le rglage d'une

    variable bruite ou trop dynamique (la pression). En drivant un bruit, son

    amplitude risque de devenir plus importante que celle du signal utile.

    3. Vrification des actions des rgulateurs

    3.1 Schma du stand de vrification

    3.2 Vrification de laction proportionnelle

    1. Mettre la sortie U U0 = 50%.

    2. Afficher un gain K quelconque (exemple K=1 donc BP=100%).

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    3. Mette laction intgrale maximale (pour liminer laction intgrale).

    4. Afficher Td=0 (pour liminer laction drive).

    5. Varier laide du gnrateur de signaux la grandeur M et mesurer U

    Calculer alors :K

    BPM

    UK

    100

    et comparer avec la valeur affiche.

    6. Rpter pour plusieurs valeurs sur toute la gamme de la BP.

    3.3 Vrification de laction intgrale

    1. Mettre la sortie U U0 = 50%.

    2. Afficher un gain K quelconque (exemple K=1 donc BP=100%).

    3. Afficher Td=0 (pour liminer laction drive).

    4. Fixer laide du gnrateur de signaux la grandeur M.

    5. Mette laction intgrale gale 1seconde Ti =1seconde par exemple,

    6. alors t= 1 seconde, vous devez avoir U(t=1sec.) = 2M.K + U0 .= 2.M.1 + U0 (2 fois laction P).

    7. Rpter lopration pour plusieurs valeurs de Ti sur toute sa gamme et comparer avec la valeur affiche.

    3.4 Vrification de laction drive

    1. Mettre la sortie U U0 = 50%.

    2. Afficher un gain K quelconque (exemple K=1 donc BP=100%).

    3. Afficher Ti infini (pour liminer laction intgrale).

    4. Affiche...

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