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Choix des boucles de régulation

Selon la chaîne

Pour réaliser un système automatique de réglage quelconque il faut tout d'abord définir le besoin ; réglage "tout ou rien" ou réglage fin et continu "analogique" ou "numérique".

Dans le premier cas, c'est simple à mettre en œuvre ; thermostat (Un thermostat est un système assurant une température constante. Cela peut être un dispositif passif (type bouteille thermos) ou bien un appareil qui sert a réguler une température.), poire de niveau, pressostat... Dans le second, 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 (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme...), on en déduira donc la fonction de transfert (Une fonction de transfert est une représentation mathématique de la relation entre l'entrée et la sortie d'un système linéaire invariant. Elle est utilisée dans l'analyse des systèmes continus...).

On affectera alors pour chacune des entrées / sortie une fonction paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) 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 (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.), température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...)...)
  • grandeur perturbatrice : GP c'est un (ou plusieurs) paramètres qui influencent le système étudié, ils sont à contrer absolument !
  • organe (Un organe est un ensemble de tissus concourant à la réalisation d'une fonction physiologique. Certains organes assurent simultanément plusieurs fonctions, mais dans ce cas, une fonction est généralement...) réglant : OR c'est l'actionneur de la boucle (vanne, résistance, moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une énergie (éolienne,...)...)
  • la consigne : C ce signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des...) permet de régler le paramètre réglé à la valeur désirée.

Image: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 (L'asservissement est une partie de l'automatique. L'objet principal de l'asservissement est d'élaborer la commande d'un procédé afin de lui faire atteindre une grandeur physique déterminée.),

Régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) 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 (La Lente est une rivière de la Toscane.).

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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) 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 (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) 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 (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ou bien gazeux. L'application la plus connue est par exemple l'alimentation d'une chaudière ; la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection...) de comburant (Un comburant est un corps chimique qui a pour propriété de permettre la combustion d'un combustible. Le principal comburant est le dioxygène.) (air) doit être proportionnelle et adaptée au carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) (gaz, fuel...). Dans cet exemple, on "arrangera" la boucle pour que dans tous les cas la chaudière (Une chaudière est un appareil (voire une installation industrielle, selon sa puissance), permettant de transférer en continu de l'énergie thermique à un fluide caloporteur (le...) fonctionne en excès d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les...) afin de limiter la pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par...), mais aussi pour éviter de trop mettre d'air afin d'éviter tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 retrouve ce type de boucle très souvent sur certains réglages de débits : comme par exemple l'alimentation en eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) des générateurs de vapeur () (générateur de vapeur) ou de l'alimentation en vapeur d'une turbopompe alimentaire d'une centrale nucléaire (Une centrale nucléaire est un site industriel qui utilise la fission de noyaux atomiques pour produire de la chaleur, dont une partie est transformée en électricité (entre 30 % et 40 % en fonction...) . 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 (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et 20-100% pour le reste de l'étendue pour un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) optimal des niveaux en puissance. On notera que les vannes de la gamme 0-20% restent totalement ouvertes au delà de 20%.

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 (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils, les techniques et les théories mathématiques, puis généralement, en sens inverse, la traduction des résultats...) connu (STREJC, PROVOUST, BROIDA...) : on a la fonction de transfert du sytème. 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 (L' affichage désigne l'application d'une surface de papier script dans un lieu public(et non du foyer)sur un support destiné à son émission, externe ou interne, ce qui en fait un...) des actions correctrices sur le régulateur (Le Régulateur est une série de bande dessinée française de science-fiction dans un univers steampunk. L'action se passe après un grand cataclysme écologique dans une cité rongée...) 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 (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et...) des phénomènes physiques et surtout connaître l'impact des modifications apportées.

Dans un premier temps, on annule la dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la quantité dont elle dépend, son argument, change. Plus précisément, une...) et l'intégrale (Une intégrale est le résultat de l'opération mathématique, effectuée sur une fonction, appelé intégration. Une intégrale est donc composée d'un intégrande (la fonction à intégrer) et d'un...). 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. Attention, il faut bien comprendre que 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. Il faut garder à l'esprit qu'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

  • 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. Elle 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 P régulateurs (pneumatiques en général)

  • Régulateur proportionnel et Intégral (PI).

Réponse indicielle.

Le temps d’intégration Ti [sec.] ou en nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de répétition par minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain...)

Le rôle principal de l’action intégrale est d’éliminer l’erreur statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :). Toutefois l’augmentation de l’action intégrale produit une instabilité. Dans l’industrie, on utilisera l’action I chaque fois que nous avons besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins secondaires et les...), pour des raisons technologiques, d’avoir une précision parfaite. Exemple : la régulation de la pression ou température dans un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain —...). De plus, il faut souligner que l’action I est un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) donc il est intéressant de l’utiliser pour le réglage des paramètres très dynamiques telle que la pression.

  • Régulateur proportionnel, intégral et dérivé (PID).

L’action dérivée compense les effets du temps mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus...) du processus. 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.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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