Régulation des processus industriels Presenté par: BELLAHCENE ZAKARIA 28/04/2017

CHAPITRE1: Introduction 1. PRÉSENTATION 1.1. DEFINITION La régulation regroupe l'ensemble des techniques utilisées visant à contrôler une grandeur physique. Exemples de grandeur physique : Pression, température, niveau etc... L’opérateur réalise les fonctions suivantes: mesure, transmission de l’information, réflexion et réglage Qe QS N 28/04/2017

1.3. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 1.2. QUELQUES DÉFINITIONS La grandeur réglée : C'est la grandeur physique que l'on désire contrôler. Elle donne son nom à la régulation. Par exemple : régulation de température. La consigne : C'est la valeur désirée que doit avoir la grandeur réglée. Les grandeurs perturbatrices sont les grandeurs physiques susceptibles d'évoluer au cours du processus et d'influencer la grandeur réglée. La grandeur réglante est la grandeur perturbatrice qui a été choisie pour contrôler la grandeur réglée. L'organe de réglage est l'élément qui agit sur la grandeur réglante. 1.3. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Pour réguler un système physique, il faut : Mesurer la grandeur réglée avec un capteur. Réfléchir sur l'attitude à suivre : c'est la fonction du régulateur. Le régulateur compare la grandeur réglée avec la consigne et élabore le signal de commande. Agir sur la grandeur réglante par l'intermédiaire d'un organe de réglage. 28/04/2017

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Chimie, pétrochimie, pharmacie ; Agro-alimentaire ; 1.4. DOMAINE D'EMPLOI Chimie, pétrochimie, pharmacie ; Agro-alimentaire ; Papeteries, cimenterie, verreries ; Centrales électriques (nucléaires et thermiques) ; Environnement ; Robotique. 1.5. PROCÉDÉS INDUSTRIELS Four, chaudières, chauffage, climatisation ; Réacteurs chimiques, craqueurs, distillation ; Broyeur, mélangeur, laminoirs. 1.6. INFLUENCE DE LA RÉGULATION Baisse du coût de la transformation Baisse du coût de l'installation & Gain de temps 28/04/2017

Régulation ou Asservissement: Dans une régulation, on s'attachera à maintenir constante la grandeur réglée d'un système soumis à des perturbations. Dans un asservissement, la grandeur réglée devra suivre au plus près les variations de la consigne. 28/04/2017

Régulation de vitesse: 1.7. EXEMPLES Régulation de vitesse: +V -V uref Amplificateur différentiel Amplificateur de puissance V charge  réducteur  um 28/04/2017

Régulation de niveau:  28/04/2017 +V Servo-vanne uref Amplificateur différentiel Amplificateur de puissance h Qe Capteur de niveau  um QS Servo-vanne 28/04/2017

Un procédé est dit naturellement stable si à une variation finie de 2. CARACTÉRISTIQUES STATIQUES ET DYNAMIQUES D'UN PROCÉDÉ 2.1. STABILITÉ Procédés naturellement stables: Un procédé est dit naturellement stable si à une variation finie de la grandeur réglante E correspond une variation finie de la grandeur réglée S. Procédés naturellement instables: Un procédé est dit naturellement instable si à une variation finie de la grandeur réglante E correspond une variation continue de la grandeur réglée S. 28/04/2017

Régime transitoire - Régime permanent: On dit que le système fonctionne en régime permanent, si l'on peut décrire son fonctionnement de manière « simple «. Dans le cas contraire, on parle de régime transitoire. 28/04/2017

2.2. CARACTÉRISTIQUES STATIQUES D'UN PROCÉDÉ Caractéristique statique: La caractéristique statique est la courbe représentative de la grandeur de sortie S en fonction de la grandeur d'entrée E : S = f(E). Gain statique: Si le système est naturellement stable, le gain statique est le rapport entre la variation de la grandeur d'entrée S et la variation de la grandeur de sortie E. Erreur statique: Si le système est stable, l'erreur statique est la différence entre la consigne W et la mesure de la valeur réglée X. Linéarité, non-linéarité d'un système: Un système est linéaire si on peut décrire son fonctionnement à l'aide d'équations mathématiques linéaires. 28/04/2017

2.2. CARACTÉRISTIQUES DYNAMIQUES D'UN PROCÉDÉ Temps de réponse: C'est l'aptitude du système à suivre les variations de la grandeur réglante. Dans le cas d'un échelon de la grandeur réglante, la croissance de la grandeur réglée définit les différents temps de réponse. Dépassement: Le premier dépassement permet de qualifier la stabilité d'un système. Plus celui-ci sera important, plus le système sera proche de l'instabilité. Dans certaine régulation, aucun dépassement n'est toléré. 28/04/2017

3. CLASSIFICATION DES SYSTÈMES DE RÉGULATION 3.1. Classification selon le type de l’entrée de référence: – la régulation de correspondance (”tracking”, ”poursuite”), où le but essentiel est de poursuivre une consigne w(t) variable 28/04/2017

– la régulation de maintien, où le régulateur a pour tache principale de maintenir la grandeur réglée y(t) égale à la consigne w(t) malgré la présence de perturbations v(t) 28/04/2017

3.2. CLASSIFICATION SELON LE TYPE DE RÉGULATEUR Un régulateur peut être analogique il est réalisé avec des composants analogiques (essentiellement des amplificateurs opérationnels) et son signal de sortie évolue de manière continue dans le temps. Le régulateur peut également être numérique : il est réalisé à l’aide d’un système programmable (microprocesseur par exemple) et son signal de sortie est alors le résultat d’un algorithme de calcul. On trouve également les régulateurs T.O.R. (Tout ou Rien). La grandeur réglante ne peut prendre que deux valeurs et l’actionneur de puissance ne dispose alors que de deux états de fonctionnement il est « ouvert » ou « fermé ». Le suivi de consigne est dans ces conditions beaucoup moins fin qu’avec les deux systèmes précédents, mais il peut être suffisant si l’on ne désire pas une grande précision (par exemple le thermostat qui met en route ou arrête le chauffage dans un appartement). 28/04/2017

3.3. ELEMENTS ET SIGNAUX CARACTERISTIQUES D’UN SYSTEME DE REGULATION AUTOMATIQUE 28/04/2017

Eléments du système à régler: 28/04/2017

Signaux principaux d’un système de régulation automatique: 28/04/2017

3.4. MÉTHODOLOGIE D’ÉTUDE DES SYSTÈMES DE REGULATION Pour concevoir un système régulation, on pourra opérer de la manière suivante : Analyse et conception : compréhension du fonctionnement de l’installation Elaboration du cahier des charges Modélisation : modélisation du comportement dynamique de l’installation au moyen des lois physiques qui la gouverne Identification Design du régulateur Simulation Implantation Validation 28/04/2017

Régulateur Indicateur de Débit 4.SHEMA DE RÉPRESENTATION 4.1 SHEMA TI « tuyauterie et instrumentation » C’est une représentation symbolique des éléments d’un procédé industriel « régulateur, mesure et automatisme des processus industriels » Les instruments utilisés sont représentés par des cercles entourant des lettres définissant la grandeur physique réglée ‘pression, température..etc.’ les suivantes la fonction des instruments. Exemple : PT Grandeur réglée FIC Fonctions Transmetteur de Pression Régulateur Indicateur de Débit 28/04/2017

VALEURES NORMALISES LES PLUS COURANTS 4.2.Lettre pour le schéma TI Première lettre Les suivantes Grandeur réglée Lettre Fonction Pression P Indicateur I Température T Transmetteur Niveau L Enregistreur R Débit F Régulateur C Position Z Capteur E NATURE DE SIGNALE SYMBOLE VALEURES NORMALISES LES PLUS COURANTS Non définie Electrique 4<i<20mA Pneumatique 0.2<p<1bar Numérique Codé sur 8,16,32,64.. bits 28/04/2017

4.3.Exemple de régulation de niveau d’un réservoir : Le module LC permet de comparer la mesure X à la consigne Wc (interne) et d’envoyer un signal de réglage selon une loi de commande non précisée Légende - LT : Transmetteur de niveau - LC : Régulateur de niveau - LY : Convertisseur courant/pression - LV : Vanne de contrôle de niveau - HV : Vanne manuelle - Trait avec 2 barres : Signal pneumatique - Trait en pointillé : Signal électrique - Trait en gras : conduite 28/04/2017

4. ÉTUDE DE DIVERS TYPES DE BOUCLES DE RÉGULATION 4.1. STRUCTURE DE PRINCIPE D'UN RÉGULATEUR 28/04/2017

La consigne peut-être interne ou externe Le signal de mesure est l'image d'une grandeur physique, provenant d'un capteur transmetteur et transmise sous forme d'un signal électrique ou pneumatique La consigne peut-être interne ou externe L'affichage de la commande se fait en % et le généralement en unités physiques pour la consigne et la mesure Si un régulateur est en automatique, sa sortie dépend de la mesure et de la consigne. Ce n'est pas le cas s'il est en manuel 28/04/2017

C'est la régulation que l'on a étudiée jusqu'à présent. La mesure est 4.2.BOUCLE FERMÉE SIMPLE C'est la régulation que l'on a étudiée jusqu'à présent. La mesure est comparée à la consigne afin de calculer le signal de commande. Cette régulation est d'autant moins adaptée que le temps mort est grand. 28/04/2017

4.3. BOUCLE DE RÉGULATION CASCADE Une régulation cascade est composée de deux boucles imbriquées. Le système peut être décomposé en deux sous systèmes liés par une grandeur intermédiaire mesurable. Une première boucle, la boucle esclave, a pour grandeur réglée cette grandeur intermédiaire. La deuxième boucle, la boucle maître, a pour grandeur réglée la grandeur réglée de la régulation cascade et commande la consigne de la régulation esclave. 28/04/2017

Exemple: régulation de niveau d’un réservoir: 28/04/2017

4.4. BOUCLE DE RÉGULATION DE RAPPORT On utilise une régulation de rapport quand on veut un rapport constant entre deux grandeurs réglée X1 et X2 (X2/X1 = constante). Dans l'exemple ci-dessus, la grandeur pilote X1 est utilisée pour calculer la consigne de la boucle de régulation de la grandeur X2. 28/04/2017

Exemple:On peut utiliser une régulation de rapport pour établir le rapport air/combustible d'une régulation de combustion 28/04/2017

4.5. BOUCLE DE RÉGULATION PRÉDICTIVE - MIXTE - À PRIORI On utilise la mesure d'une perturbation pour compenser ses effets sur la grandeur réglée. L'opérateur K2 peut être un simple gain, un module avance/retard ou un opérateur plus complexe. Une telle boucle est utile lorsque qu'une perturbation a un poids important et que la mesure ne varie pas rapidement suite à cette perturbation. 28/04/2017

Dans cette régulation de température, la mesure du débit du liquide Exemple: Dans cette régulation de température, la mesure du débit du liquide chauffé, permet d'anticiper la baisse de température engendrée par une augmentation du débit d'eau. 28/04/2017

4.6. BOUCLE DE RÉGULATION PAR PARTAGE D’ETENDUE OU SPLIT RANGE On utilise une régulation à partage d'étendue lorsque l'on désire contrôler le système à l'aide de deux organes de réglage différents. Ces organes de réglage peuvent avoir des effets antagonistes (de type chaud-froid). 28/04/2017

Pour éviter les problèmes de cavitation, on utilise deux vannes Exemple: Pour éviter les problèmes de cavitation, on utilise deux vannes de régulation avec des capacités de débit différents (Cv). Une vanne sera utilisée pour contrôler les débits importants, l'autre pour les débits faibles. 28/04/2017

Système Modèle 4.6. BOUCLE DE RÉGULATION ADAPTATIVE K _ Consigne + E + 28/04/2017

Régulation adaptative indirecte: Spécification des performances CALCUL DU REGULATEUR ESTIMATION DU MODELE PROCEDE + REGULATEUR AJUSTABLE _ La commande adaptative indirecte consiste à identifier en temps réel les paramètres du modèle du processus et les utiliser pour le calcul de la loi de commande comme s’ils étaient les vrais paramètres du processus. 28/04/2017

Régulation adaptative directe: MECANISME D’ADAPTATION PROCEDE + REGULATEUR AJUSTABLE _ + _ MODELE DE REFERENCE Dans ce type de commande les paramètres du régulateur sont ajustés en une seule étape à chaque pas du calcul. 28/04/2017