- Stratégies (topologies) de régulation
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Stratégie de régulation
Une stratégie (ou topologie) de régulation consiste, pour un procédé industriel, à organiser le système système de contrôle-commande dudit procédé. Cette démarche est généralement propres aux industries de transformation, telles que le génie chimique, électrique ou électronique.
Cette stratégie vise à maintenir des paramètres stables tout au long du processus ; elle peut être simple ou complexe selon les cas, chaque démarche présentant ses propres avantages et inconvénients.
Sommaire
Introduction
Dans un procédé industriel, toute boucle de régulation a pour objectif de maintenir une grandeur physique (dite « grandeur réglée ») égale à une valeur souhaitée (Consigne), quelles que soient les variations des grandeurs perturbatrices, à l'aide d'un actionneur agissant sur une grandeur réglante.
C'est un appareil nommé « régulateur » qui détermine le signal de commande de l'actionneur en recherchant à annuler l'écart entre la grandeur réglée et la consigne. En fonction des performances souhaitées, on peut être amené à opter pour des schémas de régulation (on dit aussi stratégies ou topologies) plus ou moins complexes.
Boucle simple
Description
Dans l'exemple ci-contre, le préchauffeur PR1 a pour fonction d'amener à une température convenable le mélange (charge) avant son introduction dans une colonne à distiller .
Ici, la boucle de régulation est composée du capteur/transmetteur de mesure TT215, du régulateur TIC205, du gradateur TV200 commandant la résistance chauffante de PR1.
Les liaisons en pointillé représentent les fils de liaison portant les signaux de mesure (M ou X) et de commande (Y) généralement sous la forme de boucles de courant analogiques normalisées 4 à 20 mA (0 à 100% de l'étendue).
La consigne interne (Wi ou Ci) représente la valeur de température souhaitée en sortie du préchauffeur, elle est rentrée manuellement par l'opérateur.
Si la température est inférieure à la consigne, le régulateur augmente la valeur du signal de commande envoyé à TV200, donc la puissance de chauffe. Si la température est supérieure à la consigne, le régulateur diminue la valeur du signal de commande envoyé à TV200. Si les paramètres du régulateur sont corrects, on a au bout d'un certain temps Mesure=Consigne (soit valeur réelle=valeur souhaitée).
Avantages
La boucle simple se contente du nombre minimum d'éléments :
- Un capteur/transmetteur (ici une sonde de température à résistance de platine PT100 et son transmetteur de mesure).
- Un régulateur PID.
- Un actionneur, souvent une vanne automatique à ouverture proportionnelle (ici un gradateur a train d'onde associé à une résistance chauffante).
Inconvénients
La boucle simple ne réagit pas toujours suffisamment vite aux perturbations importantes
En cas de variation du débit de la charge (grandeur perturbatrice principale de ce procédé), le régulateur ne réagit pas instantanément mais a posteriori, quand la température aura bougé et il faudra un certain temps avant d'avoir à nouveau mesure=consigne.
Si les variations de débit sont trop brusques, il se peut que la régulation soit mise en défaut et que l'on sorte du cahier des charges. Il faut alors envisager un schéma de régulation plus complexe. Dans ce cas, comme la perturbation n'est pas sur la grandeur réglante (qui est la puissance de chauffe), on peut mettre en place une stratégie mixte (à 2 boucles) combinant la régulation en « boucle fermée » avec une régulation en « boucle ouverte ».
Topologie mixte
Description
La boucle (« fermée », repère 2) de régulation est composée du capteur/transmetteur de mesure de température TT215, du régulateur TIC205, du gradateur TV200 commandant la résistance chauffante de PR1.
La boucle (« ouverte », repère 1) de compensation est composée du capteur/transmetteur de mesure de débit FT202, du calculateur TY203, du régulateur TIC205, du gradateur TV200 commandant la résistance chauffante de PR1.
Quand la stratégie de régulation se complexifie, on fait souvent appel à un S.N.C.C. (Système Numérique de Contrôle Commande) qui réalise tous les calculs nécessaires à la réalisation des fonctions de régulation. Cela englobe ici TY203 et TIC205.
La liaison avec des petits ronds entre ces deux éléments représente un signal numérique interne au S.N.C.C.
FF représente l'entrée "feed forward" du régulateur TIC205.
Si la température est inférieure à la consigne, le régulateur augmente la valeur du signal de commande envoyé à TV200, donc la puissance de chauffe. Si la température est supérieure à la consigne, le régulateur diminue la valeur du signal de commande envoyé à TV200. Si les paramètres du régulateur sont corrects, on a au bout d'un certain temps Mesure=Consigne (soit valeur réelle=valeur souhaitée).
Si le débit de la charge augmente, le calculateur TY203 génère un signal positif qui est ajouté au signal de commande Y par l'intermédiaire de l'entrée FF de façon à ce que l'augmentation de puissance de chauffe compense aussi exactement que possible l'influence de l'augmentation de débit sur la température. Si le débit de la charge diminue, la compensation est inverse. Cette action se fait a priori (ou de façon prédictive) avant que la température ait pu varier. Cette compensation se faisant en "boucle ouverte" (la température n'influence pas le débit !), elle est toujours associée à une "boucle fermée" pour fixer le point de fonctionnement de la régulation proprement dite (l'opérateur doit toujours pouvoir fixer la consigne).
Avantages
La boucle mixte rejette l'effet des grandeurs perturbatrices :
En cas de variation du débit de la charge (grandeur perturbatrice principale de ce procédé), le régulateur réagit instantanément, la température varie beaucoup moins (3 à 10 fois) que dans le cas d'une boucle simple.
Inconvénients
La boucle mixte nécessite un plus grand nombre d'éléments :
- Un capteur/transmetteur (ici une sonde de température à résistance de platine PT100 et son transmetteur de mesure).
- Un régulateur PID.
- Un actionneur, souvent une vanne automatique à ouverture proportionnelle (ici un gradateur associé à une résistance chauffante).
- Un (des) transmetteur(s) de la (des) grandeur(s) perturbatrice(s) (ici le débit de la charge).
- Un module de calcul (ici un simple module qui réalise une proportion
).
Bibliographie
- Norme ANSI/ISA S5.1-1984: norme des schémas de régulation[1].
- Norme NF E 04.203 norme des schémas de régulation.
Articles connexes
- Régulation automatique
- Régulateur PID
- Commande prédictive
- Asservissement
- Gradateur
- Schéma de procédé
- Schéma tuyauterie et instrumentation
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