Bibliographie & annexes
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Auteur(s)
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Jean-François BOURGEOIS : Ingénieur-Chercheur à la Direction des Études et Recherches d’Électricité de France (Groupe Effet Joule)
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Lire l’articleINTRODUCTION
es techniques de l’automatique ne sont pas seulement un moyen de commander des processus mais aussi un moyen de réduire les pertes de production, d’augmenter la qualité et la quantité des produits, d’augmenter la disponibilité des unités et de diminuer les coûts marginaux de production.
Un automatisme bien pensé, surtout si son étude intervient en amont de la conception des unités de production, aura une implication économique importante. L’automatisme et la régulation des équipements thermiques tels que les fours, étuves, enceintes climatiques, chaudières... s’inscrit bien dans ce cadre. La régulation des procédés thermiques regroupe l’ensemble des moyens matériels et techniques mis en œuvre pour maintenir une grandeur physique à régler, égale à une valeur désirée, appelée consigne. Lorsque des perturbations ou des changements de consigne se produisent, la régulation provoque une action correctrice sur une grandeur physique du procédé, appelée grandeur réglante (ou commande)
Dans cet article, on s'intéressera aux moyens matériels et techniques de mise en œuvre de la régulation. Les techniques décrites sont universelles et peuvent s'appliquer à tout procédé.
Les régulateurs PID (Proportionnel, Intégral, Dérivé) sont très répandus et conviennent dans environ 80 % des boucles de régulation. Pour les 20 % restant, il est nécessaire d'avoir recours à des régulations de type avancé pour lesquelles une modélisation du procédé est indispensable. Les régulateurs PID se présentent soit sous la forme d'un boîtier autonome (régulateur de tableau) qui se fixe en face avant d'une armoire de contrôle-commande, soit programmés dans un automate ou dans un calculateur industriel. Les régulateurs de type avancé sont en général programmés sur calculateur industriel équipé du nombre d'entrées-sorties nécessaire à la commande de l'installation.
Pour la plupart des applications avec PID où les contraintes sur la grandeur réglée ne sont pas fortes (précision faible, temps de montée non critique, dépassement autorisé, etc.), les réglages du régulateur sont à la portée d'un utilisateur n'ayant pas de connaissances particulières en automatique. Il suffit en général de suivre les recommandations du constructeur.
Pour certaines applications où les contraintes sur la grandeur réglée sont fortes (bonne précision, par exemple ± 0,3 sur une échelle de 100, temps de montée le plus court possible et sans dépassement, sensibilité faible aux perturbations, par exemple la température d'un fluide chauffé ne doit pas varier de plus de 2 % autour de la consigne en cas de variations de débit de ± 30% autour du débit nominal), on utilise plusieurs PID en cascade ou en tendance. Mais cette architecture, très souvent onéreuse, engendre généralement une mise en service longue et nécessite l'assistance d'un spécialiste de l'automatique.
Pour les cas que l'on pourrait qualifier de pointus (temps mort important, supérieur à la moitié de la constante de temps principale du procédé, constantes de temps et gain statique variables en fonction des conditions de fonctionnement), une modélisation du procédé s'impose avec régulation de type avancé.
Cette solution est longue et onéreuse car elle nécessite une étude spécifique par un spécialiste de l'automatique, avec développement sur calculateur ou automate ou plus rarement sur des régulateurs de tableau de très haut de gamme.
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Modulation de puissance1. Représentation d'un procédé et terminologie
Pour décrire les techniques de régulation, nous prendrons souvent l’exemple d’un four qui servira de fil conducteur, sachant que ces techniques restent valables quelle que soit l’application.
1.1 Boucle ouverte, boucle fermée
Considérons un four représenté schématiquement par les figures 1 et 2.
Un tel système est en boucle ouverte. La sortie y peut être réglée en agissant sur l’entrée u. Cette situation présente deux inconvénients majeurs :
-
on ne sait pas a priori à quelle valeur va se stabiliser y et en combien de temps ;
-
y va varier en fonction des perturbations extérieures (par exemple variation de la température externe).
Ce mode de fonctionnement est obtenu, sur les régulateurs PID du commerce, en position manuelle. Ce mode présente un intérêt lorsque la régulation est déficiente ou lorsque l’utilisateur veut piloter le système dans des cas particuliers.
Nous n’avons plus ces inconvénients en refermant la boucle par un régulateur, ce qui conduit au schéma de la figure 3, représentant la boucle de régulation de base.
On cherche à maintenir la grandeur à régler y à une valeur de consigne yc en agissant sur la commande u par la loi de commande (ou correcteur) (figure 4).
Analysons le fonctionnement de cette boucle (figure 3).
Le système bouclé a pour entrée yc et pour sortie y. Le régulateur possède 2 entrées (yc et y ) et une sortie u. Il se compose de la loi de commande et d’un comparateur qui élabore l’erreur de régulation
= yc – y.
La loi de commande a pour entrée ε et pour sortie u.
Le capteur mesure la température (y ) de l'enceinte thermique. Cette mesure est comparée à la consigne (yc) pour élaborer un signal d'écart....
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Représentation d'un procédé et terminologie
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Les fours industriels à résistances électriques, conception-choix et utilisation. - Collection Electra 1989 DOPEE 85 CFE, Service diffusion de la documentation, Espace Elec., CNIT, Les pompes à chaleur dans l’industrie. Les chaudières électriques.
-
(2) - Les régulateurs industriels Fichier produits fournisseurs. - 1988 CETIM.
-
(3) - RACHID (A.) - Systèmes de régulation. - 411 p. 1996 Masson.
-
(4) - BOURGEOIS (J.F.) - Panorama sur les techniques actuelles de régulation des fours et des réchauffeurs électriques. - 100 p. 1993, Note EDF HE 25 W 84 Direction des Études et Recherches.
-
(5) - BHALY - Boucles de régulation. - 298 p. 1988 Kirk.
-
(6) - DINDELEUX (D.) - Technique de la régulation industrielle. - 175 p....
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