Métrologie - Régulation

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1 Métrologie - Régulation
JF Mazoin - IUT GCGP Introduction Partie 1 : Bases de la régulation Chap. 1 - Généralités sur la chaîne de régulation Chap. 2 - Du contrôle manuel au contrôle automatique Chap. 3 - Les éléments constitutifs de la chaîne de régulation Chap. 4 - Notion de Système Partie 2 : La loi de commande Chap. 1 - L ’algorithme PID Chap. 2 - L ’analyse de la dynamique G. réglante - G. réglée Chap. 3 - Définition des paramètres du régulateur Chap. 4 - Evaluation des performances d ’une régulation

2 L ’automatisation est la réponse permettant d ’assurer les objectifs.
Introduction L ’industrie chimique utilise des appareils définis pour des conditions de fonctionnement données. Avec des objectifs : - assurer une qualité de produit donnée à un coût compétitif - être capable de reproduire une fabrication - assurer la sécurité des biens et des personnes L ’automatisation est la réponse permettant d ’assurer les objectifs.

3 Régulation des grandeurs physiques
Introduction Automatiser, c ’est : - maintenir automatiquement des grandeurs physiques : niveau, température, pression, débits... * à partir de l ’état du procédé * connaissant la valeur nominale des ces grandeurs * on ajuste le point de fonctionnement du procédé * en agissant sur celui-ci au moyen d ’appareils automatiques. Régulation des grandeurs physiques - assurer un replis convenable de l ’unité en cas de déclenchement d ’une procédure de sécurité Automatismes

4 Métrologie - Régulation
Sommaire Général Partie 1 : Bases de la régulation Chap. 1 - Généralités sur la chaîne de régulation I- Le bac de stockage - Symbolisation II- L ’échangeur de chaleur - Définitions III- Le réacteur - Vannes de régulation IV- Le four Chap. 2 - Du contrôle manuel au contrôle automatique Chap. 3 - Les éléments constitutifs de la chaîne de régulation Chap. 4 - Notion de Système Partie 2 : La loi de commande

5 Canalisation d ’alimentation Canalisation de soutirage
P1C1 - Réservoir Canalisation d ’alimentation Canalisation de soutirage

6 Niveau à maintenir pour assurer la réserve Débit de soutirage
P1C1 - Réservoir Débit d ’alimentation Doit s ’adapter au débit de soutirage pour maintenir le niveau constant et donc maintenir la réserve Niveau à maintenir pour assurer la réserve Débit de soutirage Incontrôlable Q Max.

7 Le niveau baisse Danger !!!
P1C1 - Réservoir Débit d ’alimentation Si l ’alimentation est trop faible ... Le niveau baisse Danger !!! Niveau à maintenir pour assurer la réserve Débit de soutirage Débit donné

8 Trop tard !!! Le niveau monte Danger !!!
P1C1 - Réservoir Débit d ’alimentation Si l ’alimentation est trop forte ... Trop tard !!! Le niveau monte Danger !!! Niveau à maintenir pour assurer la réserve Débit de soutirage Débit donné

9 Grandeur de réglage Grandeur réglante Alimentation Qa Grandeur
P1C1 - Réservoir Grandeur de réglage Grandeur réglante Alimentation Qa Grandeur perturbante 80 % Grandeur à maintenir Grandeur incontrôlable Valeur à maintenir Grandeur réglée h Soutirage Consigne Qs

10 Qu ’est ce qu ’une régulation ?
- c ’est un automatisme, - qui permet de maintenir une grandeur réglée à une valeur de consigne, STABILITE et PRECISION - en agissant sur une grandeur réglante, - tout ça n ’existe que parce qu ’il y a une ou plusieurs grandeurs perturbantes... Il faut : A l ’aide ... - mesurer la g. réglée d ’un capteur-transmetteur - en fonction de l ’écart avec la consigne, décider d ’une action d ’un régulateur (ou d ’un système plus complexe) - puis agir sur le procédé d ’un organe de correction

11 Boucle de régulation fermée
P1C1 - Réservoir Grandeur réglante Organe de correction Actionneur Régulateur Qa Capteur Rétroaction du procédé Grandeur perturbante Grandeur réglée h Qs Boucle de régulation fermée Boucle de régulation

12 Modifie la grandeur réglante
P1C1 - Actionneur Grandeur réglante Actionneur Modifie la grandeur réglante En général, la grandeur réglante est un débit Qa L ’actionneur est capable de modifier un débit C ’est un robinet Un robinet automatique puisque on parle d ’automatisme h Symbole général du robinet Qs Symbole général du robinet automatique

13 Réservoir Réservoir Réservoir Réservoir Grandeur perturbante réglante
Qs Qa h réglée Capteur Régulateur Organe de correction Boucle de régulation Boucle de régulation fermée Réservoir Grandeur perturbante réglante Qs Qa h réglée Capteur Régulateur LV Boucle de régulation Boucle de régulation fermée Réservoir Grandeur perturbante réglante Qs Qa h réglée Capteur LC LV Boucle de régulation Boucle de régulation fermée Réservoir Grandeur perturbante réglante Qs Qa h réglée LC LV Boucle de régulation Boucle de régulation fermée LT P1C1 - Réservoir Grandeur perturbante réglante Qs Qa h réglée Boucle de régulation Boucle de régulation fermée LIC

14 PD Pression différentielle
Grandeur que l ’on manipule Fonction P1C1 - Symbolisation PD Pression différentielle PD : capteurs de mesure de niveau par pression différentielle, utilisé aussi en débitmétrie A Analyse A : ph-mètre, analyse par chromatographie. Les techniques sont différentes. La nomenclature est complétée. W Masse W : pesons destinés à suivre l ’évolution de la masse des réactifs dans un réacteur par exemple. I Intensité Z Position I : suivie du fonctionnement des pompes. Z : repère la position de vannes ...

15 PD Pression différentielle A Analyse W Masse I Intensité Z Position
Grandeur que l ’on manipule Fonction P1C1 - Symbolisation T Transmetteur FT Corps d ’épreuve et transmetteur sont dans le même boitier E Elément primaire FE Corps d ’épreuve et transmetteur sont dans des boîtiers différents FT C Régulation C : boucle de régulation, fonction régulateur. Assurée par un appareil appelé « régulateur » ou par un appareil plus complexe du type « automate » ou « système numérique ». I Indication I : indication sur site ou déportée en salle de contrôle R Enregistrement R : les mesures doivent être enregistrées afin d ’optimiser le fonctionnement du procédé, de déceler l ’origine des incidents ou d ’assurer la traçabilité de la production. Enregistrement sur papier mais de plus en plus sur mémoire. V Vanne de réglage V : assure la variation de la grandeur réglante. Y Relais de fonction Y : Appareil effectuant des conversions de signaux ou des calculs. AH Alarme Haute LAH : alarme de niveau haut (resp. LAL, pour niveau bas). Contrairement à une sécurité qui agit sur le procédé (effectue un arrêt d ’urgence par exemple), l ’alarme se content d ’informer l ’opérateur qu ’un problème est survenu. S Contacteur S : appareil assurant l ’ouverture ou la fermeture d ’un contact LSH contacteur de niveau haut ou encore détecteur de niveau haut.

16 Précision sur les capteur-transmetteurs : capteurs : mesurent
P1C1 - Symbolisation Précision sur les capteur-transmetteurs : capteurs : mesurent transmetteurs : transmettent l ’information sur la mesure à un deuxième appareil (un indicateur par exemple) appareil électrique en général. Donc cher ! Capteur ADF antidéflagrant 230 V PT PI Alimentation basse tension Procédé Zone Dangereuse Local Electrique Hors zone Salle de Contrôle 230 V Alimentation déportée hors zone FE FI FT

17 Métrologie - Régulation
Sommaire Général Partie 1 : Bases de la régulation Chap. 1 - Généralités sur la chaîne de régulation I- Le bac de stockage - Symbolisation II- L ’échangeur de chaleur - Définitions III- Le réacteur - Vannes de régulation IV- Le four Chap. 2 - Du contrôle manuel au contrôle automatique Chap. 3 - Les éléments constitutifs de la chaîne de régulation Chap. 4 - Notion de Système Partie 2 : La loi de commande

18 TI 60 °C Fluide Utilitaire TI 90 °C Calandre Tubes 75 °C Calandre
P1C2 - Echangeur TI 60 °C Fluide Utilitaire TI 90 °C Calandre Tubes 75 °C Calandre Tubes Calandre Tubes Fluide Procédé TI 20 °C

19 Fluide Utilitaire TI 90 °C 75 °C Fluide Procédé 20 °C 60 °C Echangeur
P1C2 - Echangeur Fluide Procédé 20 °C 60 °C Echangeur une passe

20 Fluide Utilitaire TI 90 °C 75 °C Fluide Procédé 20 °C 60 °C Echangeur
P1C2 - Echangeur Fluide Utilitaire TI 90 °C 75 °C Fluide Procédé 20 °C 60 °C Echangeur deux passes Cloison

21 Température constante Grandeur perturbante négligeable
Consigne TI Objectif à atteindre : 60 °C P1C2 - Echangeur Fluide Utilitaire Fluide Procédé Pour atteindre l ’objectif malgré les fluctuations sur le fluide procédé on fait varier le débit de fluide utilitaire. Grandeur réglante Grandeur réglée Grandeur perturbante principale TI Fluctuations de : - température - débit surtout lors des variations de productions FI TI Température constante Grandeur perturbante négligeable Grandeur perturbante secondaire

22 Capteur-transmetteur
de température TC Régulateur TI Objectif à atteindre : 60 °C P1C2 - Echangeur Fluide Utilitaire Fluide Procédé FI Organe de correction : vanne de régulation TV

23 TIC TC TI Objectif à atteindre : 60 °C Fluide Utilitaire
P1C2 - Echangeur Fluide Utilitaire Fluide Procédé FI Boucle de régulation TT TV

24 Plus de fluide utilitaire
Le régulateur commande l ’ouverture de la vanne TI Objectif à atteindre : 60 °C P1C2 - Echangeur Fluide Utilitaire Fluide Procédé FI Boucle de régulation Boucle de régulation FERMEE TIC TIC Température diminue <60°C ! La température remonte vers 60°C Plus de fluide utilitaire donc plus de chaleur Débit augmente !

25 - Températures d ’entrées constantes
P1C2 - Echangeur - Températures d ’entrées constantes Débit fluide procédé Grandeur réglée (T) utilitaire Valeur normale Valeur nominale Bonne régulation Régulation trop faible Régulation trop forte Consigne Valeur nominale

26 un retour à la valeur de consigne le plus efficace possible :
P1C2 - Echangeur Une bonne régulation : c ’est une grandeur réglée qui revient précisément à la consigne lorsqu ’une grandeur perturbante l ’en écarte un retour à la valeur de consigne le plus efficace possible : - sans oscillations (pompage) : usure de la vanne ! - le plus rapidement possible... Seule la boucle de régulation FERMEE en est capable ! C ’est le réglage du régulateur qui permet d ’atteindre ces objectifs Une trop grande inertie du procédé peut rendre la régulation inefficace

27 - Températures d ’entrées constantes
P1C2 - Echangeur - Températures d ’entrées constantes Débit fluide procédé Grandeur réglée (T) utilitaire Valeur normale Valeur nominale Consigne La régulation en boucle FERMEE a atteint sa limite ! Une régulation plus COMPLEXE doit être mise en place ! Inertie

28 Métrologie - Régulation
Sommaire Général Partie 1 : Bases de la régulation Chap. 1 - Généralités sur la chaîne de régulation I- Le bac de stockage - Symbolisation II- L ’échangeur de chaleur - Définitions III- Le réacteur - Vannes de régulation IV- Le four Chap. 2 - Du contrôle manuel au contrôle automatique Chap. 3 - Les éléments constitutifs de la chaîne de régulation Chap. 4 - Notion de Système Partie 2 : La loi de commande

29 - Grandeur réglée : la température du milieu
Moteur d ’agitation Cuve Double enveloppe Tubulures d ’entrée Tubulure de sortie - Grandeur réglée : la température du milieu - Grandeur réglante : le débit d ’eau de refroidissement - Grandeur perturbante : le dégagement de chaleur qui dépend de l ’avancement de la réaction AG P1C3 - Réacteur B A C TT TC TV ER A+B C Boucle de régulation FERMEE

30 - Vanne Tout Ou Rien ou TOR : ouverture soit 0 soit 100 %
P1C3 - Réacteur ER AG B A C A+B C TRC - Vanne de régulation ou réglage : ouverture variant de 0 à 100 % - Vanne Tout Ou Rien ou TOR : ouverture soit 0 soit 100 % EG

31 En cas de coupure de pression : reste dans la position dans laquelle il se trouve
Symbole général de l ’actionneur automatique décrit dans la nomenclature officielle. En cas de coupure de pression : retrouve une position d ’équilibre stable : ouverte ou fermée Symbole usuel de l ’actionneur automatique utilisé par les entreprises, différencie la fonction de la vanne. Pour des raisons de sécurité (risque d ’explosion), il n ’y a que peu d ’actionneur électrique sur les procédés chimiques P1C3 - Les vannes Vanne de Régulation Vanne TOR Symbole Général Actionneur Pneumatique Electrique Double Effet Motorisé Electrovanne Simple Effet M Simple Effet

32 P1C3 - Réacteur - Les Vannes
Vanne de réglage By-pass Robinets d ’isolation Vanne TOR

33 Vanne de réglage en situation
P1C3 - Réacteur Vanne de réglage en situation Condenseur de tête de colonne Soutirage Alimentation Servomoteur Robinet Fonctions de réglage

34 Vannes TOR en situation
P1C3 - Réacteur Vannes TOR en situation Robinet TOR à siège incliné Servomoteur Fonctions de sécurité Fonctions utilitaires

35 Servomoteur pneumatique
P1C3 - Robinet automatique Air comprimé Servomoteur pneumatique DIRECT Ressort SIMPLE EFFET Capot Servomoteur Membrane Tige et clapet Mobile Corps du robinet, siège Fixe

36 Qu ’est ce qui différencie une vanne de réglage d ’une vanne TOR ?
P1C3 - Robinet automatique Qu ’est ce qui différencie une vanne de réglage d ’une vanne TOR ? La variation de la pression que l ’on envoie dans le servomoteur Air comprimé La nature du robinet, certains sont adaptés au réglage et d ’autres aux fonctions TOR

37 Avantage : vannes TOR plus petites
P max. = 5 à 10 bar Nouveaux modèles P1C3 - Robinet automatique TOR P max. = 1.4 bar Anciens modèles Pression d ’air comprimé discontinue Soit P atm. , soit P max. Avantage : vannes TOR plus petites Air comprimé Air comprimé Robinet TOR (type guillotine, tournant sphérique…)

38 Rupture de la commande pneumatique ACCIDENT
P1C3 - Robinet automatique TOR ACCIDENT Par manque d ’air, le ressort se détend. Choix Fondamental : On installe le type de vanne (NO ou NF) qui assure la plus grande sécurité en cas de rupture de la commande Air comprimé Tige descend Tige monte Air comprimé Par manque d ’air : FERME OUVRE On dira : NF ou FPMA ou FMA NO ou OPMA ou OMA

39 Par manque d ’air : OUVRE FERME
P1C3 - Robinet automatique TOR Robinet INVERSE Air comprimé Tige descend Tige monte Air comprimé Par manque d ’air : OUVRE FERME On dira : NO ou OPMA ou OMA NF ou FPMA ou FMA

40 AG P1C3 - Réacteur NF NF A B TRC A+B C NO NF ER EG C

41 Pression d ’air comprimé continue variant entre 0.2 et 1.0 bar RELATIF
Pression bar Commande P1C3 - Robinet automatique de régulation Pression d ’air comprimé continue variant entre 0.2 et 1.0 bar RELATIF Choix Fondamental : On installe le type de vanne (NO ou NF) qui assure la plus grande sécurité en cas de rupture de la commande Air comprimé % % % % Air comprimé NO ou OPMA ou OMA NF ou FPMA ou FMA Manque d ’air, vanne FERMEE Manque d ’air, vanne OUVERTE % Robinet de réglage (type clapet…)

42 P1C3 - Réacteur ER AG B A C A+B C TRC EG NF NO NO

43 P1C3 - Robinet Automatique de régulation
Ouverture NO NF Pression bar Commande % % % % % Sur les vannes sans positionneur 100% 0% AS 25% 75% 50% Ordre de grandeur ! AS 0% 100%

44 P1C3 - Robinet Automatique de régulation Alimentation Pneumatique
Le positionneur Ajuste la pression dans le servomoteur De manière à ce que l ’ouverture corresponde à la commande pneumatique En utilisant l ’appoint de l ’alimentation pneumatique. Commande Pneumatique Alimentation Pneumatique

45 P1C3 - Robinet Automatique de régulation
Ouverture NO NF Pression bar Commande % % % % % Sur les vannes avec positionneur 100% 0% 25% 75% AS 50% Ordre de grandeur ! AS 0% 100%

46 P1C3 - Robinet Automatique de régulation
Commande Electrique Convertisseur Electro-pneumatique Alimentation Pneumatique Commande Pneumatique Alimentation Pneumatique

47 P1C3 - Robinet Automatique de régulation
Moteur pas à pas Alimentation de Puissance 230 V En cas de coupure de l ’alimentation de Puissance. La Vanne reste dans la position où elle se trouve. Ni NO, ni NF Commande Electrique Basse Puissance Tige Filetée

48 Métrologie - Régulation
Sommaire Général Partie 1 : Bases de la régulation Chap. 1 - Généralités sur la chaîne de régulation Chap. 2 - Du contrôle manuel au contrôle automatique I- Le contrôle manuel II- La conduite automatique III- Les signaux de communication IV- La loi de commande Chap. 3 - Les éléments constitutifs de la chaîne de régulation Chap. 4 - Notion de Système Partie 2 : La loi de commande

49 ? -Reçoit M -Reçoit S -Compare M à C -Exécute -Calcule S -Transmet Qa
P1C2-I - Contrôle Manuel -Reçoit S -Compare M à C -Exécute ? -Transmet -Calcule S -Transmet Qa Deux informations différentes sont transmises dans la chaîne de régulation : - la mesure M - la correction (ou la commande) S -Mesure h Le lien entre S et M, c ’est le calcul du régulateur. La loi (ou l ’algorithme) de commande. Qs

50 ? -Reçoit M -Reçoit S -Compare M à C -Exécute -Calcule S -Transmet
P1C2-I - Contrôle Manuel -Reçoit S -Compare M à C -Exécute ? -Transmet -Calcule S -Transmet La régulation marche mal : Problème physique : - le capteur mesure mal - la vanne n ’exécute pas correctement la commande Qa -Mesure Problème de calcul : - la loi de commande n ’est pas adaptée h Problème de communication. Qs

51 ? -Reçoit M -Reçoit S -Compare M à C -Exécute -Calcule S -Transmet
P1C2-I - Contrôle Manuel -Reçoit S -Compare M à C -Exécute ? -Transmet -Calcule S -Transmet La communication marche mal : Problème physique : - rupture du support - panne d ’un élément (sourd ou muet) - du bruit Qa -Mesure Problème de langage : - ne parlent pas le même langage - ne donnent pas la même signification aux informations transmises h Qs

52 Métrologie - Régulation
Sommaire Général Partie 1 : Bases de la régulation Chap. 1 - Généralités sur la chaîne de régulation Chap. 2 - Du contrôle manuel au contrôle automatique I- Le contrôle manuel II- La conduite automatique III- Les signaux de communication IV- La loi de commande Chap. 3 - Les éléments constitutifs de la chaîne de régulation Chap. 4 - Notion de Système Partie 2 : La loi de commande

53 un courant continu variant de 4 à 20 mA
P1C2-II - Contrôle Automatique Les individus : des appareils Le transfert d ’informations : électrique LV Le support : des fils LC Qa LT Le langage : un courant continu variant de 4 à 20 mA h Qs

54 Métrologie - Régulation
Sommaire Général Partie 1 : Bases de la régulation Chap. 1 - Généralités sur la chaîne de régulation Chap. 2 - Du contrôle manuel au contrôle automatique I- Le contrôle manuel II- La conduite automatique III- Les signaux de communication IV- La loi de commande Chap. 3 - Les éléments constitutifs de la chaîne de régulation Chap. 4 - Notion de Système Partie 2 : La loi de commande

55 un courant continu variant de 4 à 20 mA
P1C2-III - Signaux de Communication Le langage : un courant continu variant de 4 à 20 mA Comme ça ? Ou comme ça ? + - Polarités : courant continu LT LC + - Brancher les fils

56 un courant continu variant de 4 à 20 mA
P1C2-III - Signaux de Communication Le langage : un courant continu variant de 4 à 20 mA Pour brancher les fils : - chercher le générateur électrique du 4-20 mA... Ou encore un autre appareil ? Si le capteur est passif (il n ’est pas alimenté) et que le régulateur n ’est pas capable d ’alimenter la boucle de mesure. On installe un générateur externe : transformateur-redresseur 230 V AC en 24 V DC Ou lui ? Lui ? LT + - LC + - Si le capteur est actif (alimenté en 230 V) C ’est lui qui est générateur ! Si le capteur est passif (il n ’est pas alimenté) C ’est le régulateur qui est générateur ! S ’il en est capable !!! Ca peut être les trois !

57 un courant continu variant de 4 à 20 mA
P1C2-III - Signaux de Communication Le langage : un courant continu variant de 4 à 20 mA Pour brancher les fils : - chercher le générateur électrique du 4-20 mA : Le capteur est actif : c ’est DONC lui le générateur 230 V - placer la flèche du courant en fonction des polarités G R LT + - LC + - Convention Générateur : le courant sort par la borne PLUS. Convention Récepteur : le courant entre par la borne PLUS.

58 un courant continu variant de 4 à 20 mA
P1C2-III - Signaux de Communication Le langage : un courant continu variant de 4 à 20 mA Pour brancher les fils : - chercher le générateur électrique du 4-20 mA : - placer la flèche du courant en fonction des polarités - câbler 230 V R G LT + + - LC - C ’est une intensité qui circule on veut la même information partout, il faut donc la même intensité : montage série.

59 un courant continu variant de 4 à 20 mA
P1C2-III - Signaux de Communication Le langage : un courant continu variant de 4 à 20 mA On veut rajouter un enregistreur en entrée 4-20 mA LR + - Toujours récepteur R 230 V R G LT + + - LC - C ’est une intensité qui circule on veut la même information partout, il faut donc la même intensité : montage série.

60 un courant continu variant de 4 à 20 mA
P1C2-III - Signaux de Communication Le langage : un courant continu variant de 4 à 20 mA Pourquoi un courant ? Et pas une tension ? Parce que les chutes de tension dans les câbles amoindrissent l ’information Et on a en général de grandes distances entre le capteur et le régulateur (l ’un est sur le procédé, l ’autre dans le local électrique) On utilise les signaux en tension au laboratoire. Pourquoi 4 mA ? Pour faciliter le diagnostic de panne : 0 mA, c ’est le support rompu ! Pourquoi 20 mA ? Ce n ’est pas la puissance qui compte dans le transfert d ’information. Et le bruit ? C ’est les champs magnétiques des moteurs. Cela brouille le signal. Le câble est blindé et le blindage est mis à la Terre.

61 Le langage : PARLER LE 4-20 mA G R
LT Le langage : PARLER LE 4-20 mA LC + - 230 V G R P1C2-III - Signaux de Communication Le capteur possède une échelle réglable ou non : Mmini à Mmaxi. Attention Mmini n ’est pas forcément zéro ! L ’intensité varie linéairement avec la mesure Intensité (mA) Mesure Tous les deux ans. SAUF Mesures Sensibles tous les trois mois en général. Vérifier un capteur consiste à vérifier sa linéarité et recaler son échelle (étalonner). Mmini Mmaxi 20 4

62 Le langage : PARLER LE 4-20 mA G R
LT Le langage : PARLER LE 4-20 mA LC + - 230 V G R P1C2-III - Signaux de Communication Comment calculer l ’intensité en fonction de la mesure ? - Définir l ’étendue d ’échelle... - Calculer la mesure en pourcentage d ’échelle… - Calculer l ’intensité... Mesure 3 mètres EE : 2 à 8 m Régle : Egalité des Pourcentages M % = I %

63 Le langage : COMPRENDRE LE 4-20 mA G R
LT Le langage : COMPRENDRE LE 4-20 mA LC + - 230 V G R P1C2-III - Signaux de Communication Régle : Egalité des Pourcentages M % = I % Quelle mesure pour quelle intensité reçue par le régulateur ? I = 13 mA - Calculer l ’intensité en pourcentage... Et c ’est tout ! Le régulateur n ’est qu ’une machine ! Il ne connaît pas l ’échelle du capteur ! La mesure pour lui n ’est qu ’un pourcentage ! - Utiliser la règle pour trouver la mesure...

64 Le langage : COMPRENDRE LE 4-20 mA
P1C2-III - Signaux de Communication Le langage : COMPRENDRE LE 4-20 mA Quel régulateur ? Le régulateur traite une mesure sous forme de pourcentage… Il ne sait pas ce qu ’il régule. On achète un régulateur, pas un régulateur de niveau de température ou autre… Il produit uns correction S (en %) en fonction d ’une mesure M (en %) Et la Consigne ? Il faut la programmer en pourcentage aussi ! Mais un pourcentage de quoi ? Voyons ! La consigne est comparée à la mesure. Donc le pourcentage doit être le même que celui de la mesure… Il faut programmer la consigne en pourcentage d ’échelle du transmetteur.

65 Le principe de base : c ’est qu ’il y a conservation du pourcentage !
P1C2-III - Signaux de Communication D ’autres langage : signaux en tensions (1 à 5 VDC) ou en pression (0,2 à 1,0 bar)… Même règle de calcul que pour l ’intensité… Le principe de base : c ’est qu ’il y a conservation du pourcentage !

66 C ’est toujours le régulateur qui est générateur côté correction
P1C2-III - Signaux de Communication Et le côté commande S ? Pour brancher les fils : - chercher le générateur électrique du 4-20 mA : C ’est toujours le régulateur qui est générateur côté correction G R - placer la flèche du courant en fonction des polarités - intensité donc câblage série. Côté Commande 230 V LC + + LY convertisseur I/P de la vanne - - Côté Mesure

67 Métrologie - Régulation
Sommaire Général Partie 1 : Bases de la régulation Chap. 1 - Généralités sur la chaîne de régulation Chap. 2 - Du contrôle manuel au contrôle automatique I- Le contrôle manuel II- La conduite automatique III- Les signaux de communication IV- La loi de commande Chap. 3 - Les éléments constitutifs de la chaîne de régulation Chap. 4 - Notion de Système Partie 2 : La loi de commande

68 Le régulateur reçoit la mesure M en % d ’échelle du transmetteur.
P1C2-IV - La loi de commande Le régulateur reçoit la mesure M en % d ’échelle du transmetteur. Il compare M à la consigne C qui lui a été programmée en % d ’échelle du transmetteur. Il calcule la correction S en % en fonction de l ’écart (M-C). Cette fonction est appelée la Loi de Commande ou l ’Algorithme de Correction. Régulateur (M-C) S=fPID(M-C) M C S C ’est une fonction PID (Proportionnelle, Intégrale et Dérivée). Régler un régulateur veut dire adapter cette fonction au procédé de façon à ce que la correction soit la meilleure possible.

69 Métrologie - Régulation
Sommaire Général Partie 1 : Bases de la régulation Chap. 1 - Généralités sur la chaîne de régulation Chap. 2 - Du contrôle manuel au contrôle automatique Chap. 3 - Les éléments constitutifs de la chaîne de régulation I- Le capteur-transmetteur II- Le régulateur III- L ’organe de correction IV- Schéma de la boucle de régulation fermée Chap. 4 - Notion de Système Partie 2 : La loi de commande

70 + - - + Consigne Externe : elle vient d ’un autre appareil
(régulateur ou ordinateur) P1C3-II - Le régulateur Réglage Manuel Fonctionnement Manuel : c ’est l ’opérateur qui décide de la commande. L ’automatisme est rompu. Réglage de la consigne + - -(M-C) Sens d ’action + ou - (M-C) CE Affichage Consigne +(M-C) Réglages de la fonction PID fPID - + M S Affichage Mesure Affichage Correction

71 Métrologie - Régulation
Sommaire Général Partie 1 : Bases de la régulation Chap. 1 - Généralités sur la chaîne de régulation Chap. 2 - Du contrôle manuel au contrôle automatique Chap. 3 - Les éléments constitutifs de la chaîne de régulation Chap. 4 - Notion de Système Partie 2 : La loi de commande

72 - le produit qu ’il contient
Système : - le bac - le produit qu ’il contient P1C4 - Notions de système Des grandeurs qui caractérisent l ’état du système : - le niveau (donc le volume) - la température du produit dans le bac - la composition du produit... Grandeurs de sortie Des grandeurs qui modifient l ’état du système : - le débit d ’alimentation - le débit de soutirage - la température et la composition du produit entrant... Qa LIC Grandeurs d ’entrée h Qs

73 On s ’assure bien que la rétroaction existe : boucle fermée
P1C4 - Notions de système Qa Qs Température produit alimentation h Température bac Composition produit dans bac On s ’assure bien que la rétroaction existe : boucle fermée Grandeurs d ’entrée Grandeurs de sortie Système La grandeur réglante se trouve parmi les grandeurs d ’entrées La grandeur réglée se trouve parmi les grandeurs de sortie Schéma Bloc

74 Grandeurs perturbantes principales
P1C4 - Notions de système Qs Grandeurs perturbantes principales Qa Grandeur réglante h Grandeur réglée Système Grandeurs d ’entrée Grandeurs de sortie Schéma Bloc Simplifié

75 Métrologie - Régulation
Sommaire Partie 1 : Bases de la régulation Partie 2 : La loi de commande Chap. 1 - L ’algorithme PID I- Action Proportionnelle II- Action Intégrale III- Action Dérivée IV- Structure de l ’algorithme Chap. 2 - L ’analyse de la dynamique G. réglante - G. réglée Chap. 3 - Définition des paramètres du régulateur Chap. 4 - Evaluation des performances d ’une régulation

76 Le facteur de proportionnalité est appelé :
P2C1 - I - Action Proportionnelle Le facteur de proportionnalité est appelé : Le gain du régulateur Ordre de grandeur du gain : 1 mini de 0,1 maxi de 10 En général c ’est la bande proportionnelle qu ’on règle : La correction va évoluer proportionnellement à l ’écart mesure et consigne % Adimensionnel

77 S0 et le sens d ’action sont les deux paramètres de base
de la loi de commande PID. Ils doivent être réglés en priorité. Valeur centrale Valeur centrale : c ’est la commande que l ’on envoie à la vanne lorsque toutes les grandeurs physiques sont à leur valeur nominale. En particulier M = C et les grandeurs perturbantes à leur valeur normale. C ’est la commande nominale. P2C1 - I - Action Proportionnelle Sens d ’action Sens d ’action : Détermine le sens d ’évolution de la commande. - Direct (+) : S augmente quand M passe au dessus de C - Inverse (-) : S diminue quand M passe au dessous de C % % % La loi de commande P seule s ’écrit simplement

78 Si la vanne est FPMA ou NF
P2C1 - I - Action Proportionnelle Si sens + alors S augmente Si sens - alors S diminue Vanne s ’ouvre Qa augmente Niveau continue de monter Qa Vanne se ferme Qa diminue Niveau va revenir à la consigne LIC Qs diminue Niveau monte h Qs Réglage du sens d ’action

79 Si la vanne est OPMA ou NO
P2C1 - I - Action Proportionnelle Le sens d ’action est fondamental pour la sécurité Il est en général verrouillé physiquement sur les régulateurs. Le sens d ’action se détermine théoriquement et il doit être JUSTE. Si sens + alors S augmente Si sens - alors S diminue Vanne se ferme Qa diminue Niveau va revenir à la consigne Qa Vanne s ’ouvre Qa augmente Niveau continue de monter LIC Qs diminue Niveau monte h Qs Réglage du sens d ’action

80 Le réglage de la valeur centrale est approximatif.
P2C1 - I - Action Proportionnelle En manuel, l ’opérateur règle la commande de la vanne pour que le niveau se stabilise à la consigne. Le réglage de la valeur centrale est approximatif. Il s ’effectue expérimentalement en mode MANUEL si le procédé est rapide, en mode AUTO si le procédé est lent. Qa LIC Quand le niveau est stable à sa valeur nominale, alors la commande envoyée à la vanne est la valeur centrale. h On fige Qs à sa valeur nominale Qs Réglage de la valeur centrale

81 Niveau stable à la consigne LIC
P2C1 - I - Action Proportionnelle Qa = Qs Valeur nominale de Qa Qa Niveau stable à la consigne LIC h Valeur nominale de Qs Qs Réglage de la valeur centrale de façon THEORIQUE

82 Réglage de la valeur centrale de façon THEORIQUE Qs Qa
P2C1 - I - Action Proportionnelle Réglage de la valeur centrale de façon THEORIQUE Qs Qa h LIC Qa = Qs Valeur nominale de Qa Commande Courbe de vanne La courbe de vanne est rarement disponible. La méthode théorique est donc rarement employée Qa nominal S0 Débit

83 Quel rôle pour l ’action P ?
P2C1 - I - Action Proportionnelle AP : Rôle et Limite Quel rôle pour l ’action P ? Elle stabilise la mesure (une bonne régulation doit produire une mesure stable à la valeur de consigne, précision). Elle stabilise à la valeur de consigne uniquement lorsque les grandeurs perturbantes sont au régime nominal et que S0 est bien réglée. Quelle limite pour l ’action P ? Stabilise certes mais pas à la valeur de consigne (sauf régime nominal…). Il subsiste un écart. L ’action intégrale éliminera l ’écart. Quel réglage pour l ’action P ? Un gain trop fort engendre le pompage (oscillations entretenues sur M et S). Plus le procédé est réducteur (variations de M faibles par rapport aux variations de S), plus le gain GR doit être important.

84 Métrologie - Régulation
Sommaire Partie 1 : Bases de la régulation Partie 2 : La loi de commande Chap. 1 - L ’algorithme PID I- Action Proportionnelle II- Action Intégrale III- Action Dérivée IV- Structure de l ’algorithme Chap. 2 - L ’analyse de la dynamique G. réglante - G. réglée Chap. 3 - Définition des paramètres du régulateur Chap. 4 - Evaluation des performances d ’une régulation

85 Le paramètre de l ’action intégrale est appelé :
P2C1 - II - Action Intégrale Le paramètre de l ’action intégrale est appelé : Le temps d ’intégrale Attention ! Plus le Ti est grand et moins il y a d ’action intégrale. Ordre de grandeur du gain : 1 min. mini de 0,1 min. maxi de 10 min. % Temps L ’action intégrale permet l ’évolution de S en intégrant l ’écart M-C au cours du temps. Elle permet ainsi d ’éliminer l ’écart généré par l ’action proportionnelle.

86 Quel rôle pour l ’action I ?
P2C1 - II - Action Intégrale AI : Rôle et Réglage Quel rôle pour l ’action I ? Elle ramène la Mesure à la valeur de Consigne en intégrant l ’écart. Avec l ’action P, c ’est la deuxième action fondamentale de la régulation, elle apporte la précision requise pour un bon réglage. Quel réglage pour l ’action I ? Trop d ’action intégrale (c ’est-à-dire un temps d ’intégrale trop faible) engendre des oscillations sur M et sur S. Pas assez d ’action intégrale (c ’est-à-dire un temps d ’intégrale trop grand) et la régulation se comporte comme si il n ’y avait pas d ’action intégrale… Apparition d ’un écart entre la Mesure et la Consigne comme pour une action P seule.

87 Métrologie - Régulation
Sommaire Partie 1 : Bases de la régulation Partie 2 : La loi de commande Chap. 1 - L ’algorithme PID I- Action Proportionnelle II- Action Intégrale III- Action Dérivée IV- Structure de l ’algorithme Chap. 2 - L ’analyse de la dynamique G. réglante - G. réglée Chap. 3 - Définition des paramètres du régulateur Chap. 4 - Evaluation des performances d ’une régulation

88 Le paramètre de l ’action dérivé est appelé :
P2C1 - III - Action Dérivé Le paramètre de l ’action dérivé est appelé : Le temps de dérivé La plupart du temps l ’action dérivé n ’est pas réglée. Ordre de grandeur du Td : 5 sec. mini de 0 sec. maxi de 10 sec. % Temps L ’action dérivé est une action qui permet d ’améliorer la rapidité de la régulation en cas de variation rapide de l ’écart M-C.

89 Le paramètre de l ’action dérivé est appelé :
P2C1 - III - Action Dérivé Le paramètre de l ’action dérivé est appelé : Le temps de dérivé La plupart du temps l ’action dérivé n ’est pas réglée. Ordre de grandeur du Td : 5 sec. mini de 0 sec. maxi de 10 sec. % Temps L ’action dérivé est une action qui permet d ’améliorer la rapidité de la régulation en cas de variation rapide de l ’écart M-C.

90 Métrologie - Régulation
Sommaire Partie 1 : Bases de la régulation Partie 2 : La loi de commande Chap. 1 - L ’algorithme PID I- Action Proportionnelle II- Action Intégrale III- Action Dérivée IV- Structure de l ’algorithme Chap. 2 - L ’analyse de la dynamique G. réglante - G. réglée Chap. 3 - Définition des paramètres du régulateur Chap. 4 - Evaluation des performances d ’une régulation

91 Algorithme PID complet
P2C1 - Actions PID Algorithme PID complet Quel algorithme ? Peut-être série, parallèle ou mixte (le plus fréquent). Régler en P seule, PI (le cas le plus fréquent) ou PID dépend de la dynamique du procédé. AP AD AI + MIXTE PID : PI : P seul :

92 Algorithme PID complet
P2C1 - Actions PID Algorithme PID complet Très utilisé car commodité de réglage : en diminuant Gr, on diminue les 3 actions à la fois. Type Parallèle Mixte Série AP AI AD Dynamique Performances

93 Métrologie - Régulation
Sommaire Partie 1 : Bases de la régulation Partie 2 : La loi de commande Chap. 1 - L ’algorithme PID Chap. 2 - L ’analyse de la dynamique G. réglante - G. réglée I- Définition et objectifs II- Réalisation de l’analyse dynamique III- Etude des réponses possibles IV- Caractérisation de la dynamique Chap. 3 - Définition des paramètres du régulateur Chap. 4 - Evaluation des performances d ’une régulation

94 Organe de correction : le volant
P2C2 - I - Analyse Dynamique Analyse Dynamique Quel Objectif ? Etudier la réponse de la grandeur réglée à une variation donnée de grandeur réglante. Pour déterminer le réglage optimal du régulateur. Soit : adapter le réglage de la loi de commande au procédé. Grandeur réglée : la direction Consigne : la route Organe de correction : le volant Régulateur : vous !

95 Le procédé BMW est plus amplificateur
que le procédé 2CV. Pour prendre le même virage, il faudra moins tourner le volant : Gain du Régulateur plus faible. P2C2 - I - Analyse Dynamique Analyse Dynamique Comment ? Se positionner au régime nominal. Faire varier la grandeur réglante : tourner le volant. Observer la réponse (la direction de la voiture). Réponse de la BMW Coup de volant Réponse de la 2CV Vitesse Régime nominal

96 régulation marche moins bien !
La dynamique dépend du régime de fonctionnement. Le réglage est fait pour un régime donné. Le régulateur ne s ’adapte pas, le réglage ne change pas. Si le régime change, la régulation marche moins bien ! P2C2 - I - Analyse Dynamique Analyse Dynamique Que se passe-t-il lorsque l ’on change de régime ? On donne le même coup de volant que tout à l ’heure. La seule chose qui a changé, c ’est la vitesse (plus grande). Réponse de la BMW Réponse de la 2CV Coup de volant Vitesse Nouveau Régime

97 Métrologie - Régulation
Sommaire Partie 1 : Bases de la régulation Partie 2 : La loi de commande Chap. 1 - L ’algorithme PID Chap. 2 - L ’analyse de la dynamique G. réglante - G. réglée I- Définition et objectifs II- Réalisation de l’analyse dynamique III- Etude des réponses possibles IV- Caractérisation de la dynamique Chap. 3 - Définition des paramètres du régulateur Chap. 4 - Evaluation des performances d ’une régulation

98 Organe de correction : le volant
P2C2 - II - Réalisation Analyse Dynamique Quel parallèle avec la voiture ? On se place au régime nominal. On fait varier la grandeur réglante en modifiant en mode manuel la commande de l ’organe de correction (la vanne). On observe le système évoluer librement : comment évolue la mesure ? Grandeur réglée : la direction Consigne : la route Organe de correction : le volant Régulateur : vous !

99 Réalisation de l ’Analyse Dynamique en système ouvert
P2C2 - II - Réalisation Réalisation de l ’Analyse Dynamique en système ouvert Conditions de travail ? On est en mode manuel : système ouvert. On est stable aux alentours du régime nominal (pour toutes les grandeurs : réglée, réglante, perturbantes) Pendant toute l ’analyse, les grandeurs perturbantes ne doivent pas varier. Quelle modification de la grandeur réglante ? La commande de la vanne se trouve proche de S0 (régime nominal). On fait un échelon sur la grandeur réglante : on modifie la commande de plus ou moins 10% 10% de façon à ne pas trop s ’éloigner du régime nominal... Il existe d ’autres types de modification de la correction mais la réalisation d ’un échelon est la plus simple

100 Métrologie - Régulation
Sommaire Partie 1 : Bases de la régulation Partie 2 : La loi de commande Chap. 1 - L ’algorithme PID Chap. 2 - L ’analyse de la dynamique G. réglante - G. réglée I- Définition et objectifs II- Réalisation de l’analyse dynamique III- Etude des réponses possibles IV- Caractérisation de la dynamique Chap. 3 - Définition des paramètres du régulateur Chap. 4 - Evaluation des performances d ’une régulation

101 Deux types de réponse possible...
P2C2 - III - Types de Réponses Deux types de réponse possible... La grandeur réglée retrouve une valeur stable Procédé stable à réponse proportionnelle ? Type régulation de température ou de niveau (extraction libre) Type régulation de niveau (extraction forcée) Mesure Commande S M La grandeur réglée dérive en permanence Procédé instable à réponse intégrale ? Mesure Commande S M

102 Métrologie - Régulation
Sommaire Partie 1 : Bases de la régulation Partie 2 : La loi de commande Chap. 1 - L ’algorithme PID Chap. 2 - L ’analyse de la dynamique G. réglante - G. réglée I- Définition et objectifs II- Réalisation de l’analyse dynamique III- Etude des réponses possibles IV- Caractérisation de la dynamique Chap. 3 - Définition des paramètres du régulateur Chap. 4 - Evaluation des performances d ’une régulation

103 Caractérisation de la dynamique...
P2C2 - IV - Caractérisation Caractérisation de la dynamique... On a identifié le type de réponse : Stable à réponse proportionnelle Instable à réponse intégrale On détermine des paramètres caractéristiques : Stable à réponse proportionnelle : Temps mort : t mesure l ’inertie Constante de temps : q mesure la rapidité Gain statique : Gs mesure le caractère amplificateur ou réducteur Instable à réponse intégrale : Temps mort : t mesure l ’inertie Coefficient d ’intégration : k mesure la rapidité et le caractère amplificateur ou réducteur

104 Stable à réponse proportionnelle
P2C2 - IV - Caractérisation Stable à réponse proportionnelle Ordre 1 avec temps mort : S t q DS DM M 0,632.DM

105 Stable à réponse proportionnelle
P2C2 - IV - Caractérisation Stable à réponse proportionnelle Ordre 2, méthode approximative, on se ramène à un ordre 1 : S t q DS DM M 0,632.DM

106 Stable à réponse proportionnelle
P2C2 - IV - Caractérisation Stable à réponse proportionnelle Ordre 2, méthode de Broïda : S 0,40.DM t2 0,28.DM t1 DS DM M

107 Stable à réponse proportionnelle
P2C2 - IV - Caractérisation Stable à réponse proportionnelle Pas de temps mort, du tout ! S Si la constante de temps est voisine de zéro (système rapide) alors on utilise une méthode d ’analyse de la dynamique en système fermé. Ex. Régulation de débit DS DM M

108 Stable à réponse proportionnelle
P2C2 - IV - Caractérisation Stable à réponse proportionnelle Autre cas particulier ! DM très grand : stabilisation loin du régime nominal S M DS DM S M DS On analyse comme une réponse intégrale au voisinage du régime nominal DM

109 Instable à réponse intégrale
P2C2 - IV - Caractérisation Instable à réponse intégrale Ordre 1 avec temps mort : S t DS M Dt DM

110 Métrologie - Régulation
Sommaire Partie 1 : Bases de la régulation Partie 2 : La loi de commande Chap. 1 - L ’algorithme PID Chap. 2 - L ’analyse de la dynamique G. réglante - G. réglée Chap. 3 - Définition des paramètres du régulateur I- Définition de l’algorithme de contrôle II- Définition des paramètres du régulateur Chap. 4 - Evaluation des performances d ’une régulation

111 On a identifié le type de réponse : Stable à réponse proportionnelle
P2C3 - I - Algorithme On a identifié le type de réponse : Stable à réponse proportionnelle Instable à réponse intégrale On a déterminé des paramètres caractéristiques : Temps mort, constante de temps et gain statique pour les procédés stables à réponse proportionnelle Temps mort et coefficient d ’intégration pour les procédés instables à réponse intégrale. A partir de ces paramètres : On détermine l ’algorithme de contrôle P, PI ou PID Puis, les paramètres du régulateur requis (Gr, Ti, Td). Attention ! Les tableaux qui suivent sont calculés pour des procédés théoriques. Il faudra donc ajuster les paramètres de réglage de façon plus fine… pour nos procédés réels.

112 Stable à réponse proportionnelle :
P2C3 - I - Algorithme Stable à réponse proportionnelle : PID PI P Zone où la dynamique est très inerte. La boucle fermée seule a atteint sa limite. Zone où la dynamique est très lente. Du P seul avec un grand Gain ou du TOR suffisent. 0, , , ,05 Instable à réponse intégrale :

113 Métrologie - Régulation
Sommaire Partie 1 : Bases de la régulation Partie 2 : La loi de commande Chap. 1 - L ’algorithme PID Chap. 2 - L ’analyse de la dynamique G. réglante - G. réglée Chap. 3 - Définition des paramètres du régulateur I- Définition de l’algorithme de contrôle II- Définition des paramètres du régulateur Chap. 4 - Evaluation des performances d ’une régulation

114 Stable à réponse proportionnelle :
P2C3 - II - Paramètres Stable à réponse proportionnelle : P PI PID Série Paral. Mixte Série Mixte Paral. Série Mixte Paral. Gr Ti Td

115 Instable à réponse intégrale :
P2C3 - II - Paramètres Instable à réponse intégrale : P PI PID Série Paral. Mixte Série Mixte Paral. Série Mixte Paral. Gr Ti Td

116 Métrologie - Régulation
Sommaire Partie 1 : Bases de la régulation Partie 2 : La loi de commande Chap. 1 - L ’algorithme PID Chap. 2 - L ’analyse de la dynamique G. réglante - G. réglée Chap. 3 - Définition des paramètres du régulateur Chap. 4 - Evaluation des performances d ’une régulation

117 Conditions de travail :
P2C4 - Critères de performances Conditions de travail : En mode automatique, la loi de commande a été réglée Procédé stable au régime nominal Grandeurs perturbantes stables pendant l ’analyse des performances. Lancement de l ’analyse : On fait un échelon de 10% sur la consigne On observe les évolutions de la mesure. Critères de performances : stabilité précision amortissement dépassement temps d ’établissement.

118 Si la grandeur réglée ne retrouve pas une valeur stable (pompage)
P2C4 - Critères de performances Stabilité : Si la grandeur réglée ne retrouve pas une valeur stable (pompage) alors : diminuer l ’action proportionnelle (diviser le gain par deux) C M Puis recommencer l ’étude des performances.

119 il n ’y a que une action P, rajouter une action Intégrale
P2C4 - Critères de performances Précision : La grandeur réglée retrouve une valeur stable mais il subsiste un écart entre la Mesure et la Consigne, alors : il n ’y a que une action P, rajouter une action Intégrale il y a aussi une action I, mais elle est sans-doute trop faible : il faut diminuer le temps d ’intégrale Ti Erreur de précision : e DC C M

120 En diminuant l ’action intégrale Amortissement : C C M M
P2C4 - Critères de performances Amortissement : C C M M Pseudo-périodique Critique C En augmentant l ’action intégrale M Le réglage le meilleur ! Amorti

121 Si l ’amortissement est trop faible (A proche de 1) il faut augmenter
P2C4 - Critères de performances Amortissement : Si l ’amortissement est trop faible (A proche de 1) il faut augmenter l ’action intégrale On mesure D1 et D2 C Si le dépassement est trop grand (D loin de 0) il faut diminuer l ’action proportionnelle ou l ’action dérivée M Pseudo-périodique On calcule : - L ’amortissement par période On calcule : - Le dépassement

122 Rapidité : +5% de DC C -5% de DC M te
P2C4 - Critères de performances Rapidité : C M +5% de DC te -5% de DC Le temps d ’établissement est le temps qui s ’écoule entre le moment où on fait l ’échelon sur la consigne et le moment où la mesure rentre définitivement dans la bande de + ou - 5% de la variation de consigne.

123 The End