Formation Techniques de réglages des régulateurs – PID

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A SAVOIR / POUR RAPPEL : 

1.  La Régulation Industrielle :

La régulation es procédés industriels regroupe l’ensemble des moyens matériels et techniques mis en œuvre pour maintenir une grandeur physique à régler, égale à une valeur désirée, appelé 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.

Dans le cas de la régulation, la consigne est fixée et le système doit compenser l’effet des perturbations, à titre d’exemple, le réglage de la température dans un four, de la pression dans un réacteur, le niveau d’eau dans un réservoir.

Pour le technicien de régulation le terme procédé désigne une partie ou un élément d’une unité de production industrielle ; par exemple un échangeur thermique qui comporte une régulation de température ou un ballon dont le niveau est régulé. Procédé et régulation forment un tout indissociable. Le choix du type de boucle de régulation et leur mise au point impliquent une bonne connaissance du comportement du procédé.

Toute chaine de régulation comprend trois éléments indispensables :

• L’organe de mesure(capteur + transmetteur) ;

• L’organe de régulation(régulateur) ;

• L’organe de contrôle(actionneur).

Il faut commen­cer par mesurer les grandeurs à contrôler. L’organe de régulation récupère ces mesures et les compare aux valeurs souhaitées, plus communé­ment appelées valeurs de consigne. En cas de non-concordance des valeurs de mesure et des valeurs de consigne, l’organe de régulation envoie une commande à l’orga­ne de contrôle (vanne, moteur, etc.), afin que celui-ci agisse sur le processus. Les para­mètres qui régissent le processus sont ainsi stabilisés en permanence à des niveaux souhaités.

L’objectif d’une boucle de régulation est donc de maintenir constant la grandeur contrôlée conformément à la consigne (constante) indépendamment des perturbations. S’il n’y a pas de perturbations, on n’a pas besoin de faire la régulation.

2.Asservissement :

On dit qu’un système est asservi lorsque la grandeur physique qui le caractérise est maintenue à une valeur préréglée et cela quelques soient les contraintes externes au système. En fonction du nom de la grandeur de sortie et du type de fonctionnement, on rencontre les dénominations suivantes : l’asservissement et la régulation.

Un système asservi est un système dit suiveur, c’est la consigne qui varie : exemple ; une machine-outil qui doit usiner une pièce selon un profil donné, un missile qui poursuit une cible. Dans la chaîne de régulation, l’organe de mesure, l’organe de régulation et l’organe contrôle constituent le système réglant, tandis que le processus constitue le système réglé.

 Après action du régulateur, deux comportements peuvent être obtenus en automatique :

• Comportement en régulation : La consigne est maintenue constante et il se produit sur le procédé une modification (ou une variation) d’une des entrées perturbatrices. L’aspect régulation est considéré comme le plus important dans le milieu industriel, car les valeurs des consignes sont souvent fixes. Néanmoins, pour tester les performances et la qualité d’une boucle de régulation, l’automaticien (ou le régleur) s’intéresse à l’aspect asservissement

• Comportement en asservissement : L’opérateur effectue un changement de la valeur de la consigne, ce qui correspond à une modification du point de fonctionnement du processus. Si le comportement en asservissement est correct, on démontre que la boucle de régulation réagit bien, même lorsqu’une perturbation se produit.

3. Les formes de régulation industrielle :

La régulation en boucle fermée :  Dans ce qui vient d’être dit, la variable de sortie (de la chaîne de régulation), ou grandeur réglant exerce une influence sur la valeur de la variable d’entrée (de la chaîne de régulation) ou variable contrôlée, pour la maintenir dans des limites définies : il s’agit d’une régulation ou d’un asservissement en boucle fermée. L’action de la grandeur réglante sur la variable contrôlée s’opère à travers le “Processus ”qui boucle la chaîne.

Dans une régulation en boucle fermée, une bonne partie des facteurs perturbateurs, y compris les dérives propres de certains composants de la boucle, sont automatiquement compensés par la contre-réaction à travers le procédé. Autre avantage, il n’est pas nécessaire de connaître avec précision les lois, le comportement des différents composants de la boucle, et notamment du processus, bien que la connaissance des allures statistiques et dynamiques des divers phénomènes rencontrés soit utile pour le choix des composants.

La régulation en boucle ouverte : Dans un asservissement en boucle ouverte, l’organe de contrôle ne réagit pas à travers le processus sur la grandeur mesurée (celle-ci n’est pas contrôlée). Une régulation en boucle ouverte ne peut être mise en œuvre que si l’on connaît la loi régissant le fonctionnement du processus (autrement dit, il faut connaître la corrélation entre la valeur mesurée et la grandeur réglant).

Contrairement à un asservissement en boucle fermée, un asservissement en boucle ouverte permet d’anticiper les phénomènes et d’obtenir des temps de réponse très courts. De plus, il n’y a pas de pompage à craindre (car il s’agit d’un système dynamiquement stable). Enfin, l’asservissement en boucle ouverte est la seule solution envisageable lorsqu’il n’y a pas de contrôle final possible.

Les autres formes de régulation : les systèmes de régulation comportent, au lieu des chaînes linéaires ouvertes ou fermées, des ensembles de boucles imbriquées dont tout ou partie peut induire des contre-réactions à travers le processus.

• Régulation en cascade. L’objectif d’une régulation en cascade est de minimiser les effets d’une ou de plusieurs grandeurs perturbatrices qui agissent soit sur la variable régnante, soit sur une grandeur intermédiaire se trouvant en amont de la variable à régler. Ce type de régulation est intéressant lorsque l’on a affaire à des processus à longs temps de réponse.

• Régulation mixte. Ce type de régulation est l’association d’une régulation en boucle fermée et d’une régulation en boucle ouverte. Les deux boucles sont complémentaires et elles associent leurs actions pour améliorer la stabilité globale. Ce type de régulation est à mettre en œuvre lorsqu’une perturbation affecte directement la grandeur à régler.

• Régulation de rapport. Ce type de régulation par exemple pour objectif d’Asservir un débit Q a à un autre débit libre Q1 en imposant entre ces deux débits un facteur de proportionnalité Kd, fixé manuellement ou automatiquement.

• Régulation split range. La régulation split range est un montage particulier utilisant au minimum deux vannes de régulation commandées par le même signal. On a également recours à ce type de régulation lorsqu’Il est nécessaire d’utiliser deux grandeurs réglantes ayant des effets opposés ou complémentaires sur le processus à contrôler.

4. L’Instrumentation industrielle

L'instrumentation industrielle constitue un vaste domaine. Elle regroupe principalement les équipements de terrain et les dispositifs de contrôle (exemple soupapes, vannes) qui permettent de mesurer et de contrôler différents paramètres physiques (température, pression, débit etc ..).Les domaines d'application de l'instrumentation sont nombreux : chimie, pétrole & gaz, électricité etc...

Elle est aussi utilisée dans les aéroports avec des capteurs de balisage permettant d'aiguiller les avions sur les pistes de décollage/atterrissage. La robotique constitue aussi un autre domaine  qui exige des compétences multidisciplinaires dont l'instrumentation et le contrôle-commande.

Un ingénieur en instrumentation industrielle doit avoir de solides bases en électricité et en électronique, il doit connaitre par exemple comment fonctionne un moteur triphasé ou bien un capteur capacitif. Mise à part ces bases il connait et sait manipuler les instruments de mesures (voltmètre, ampèremètre, oscilloscope etc..).

Un exemple simple d'instrumentation est votre système de régulation de chauffage. Un capteur "lit" la température actuelle et la compare avec la consigne. S’il y'a une différence entre les deux valeurs, le système de régulation va augmenter ou abaisser la température : c’est ce que l'on appelle la régulation en automatique.

A l'échelle d'une usine, le même phénomène est appliqué : des capteurs lisent les différentes données de terrain comme le débit, la pression, le déplacement, les vibrations etc. Et les transmettent aux systèmes de contrôle-commande qui vont se charger de réguler ces différentes grandeurs. Dans l'industrie, la commande est souvent effectuée par les automates ou les systèmes numériques de contrôle-commande (SNCC). Vous retrouverez donc comme dispositif de contrôle-commande du matériel des marques ABB, Honeywell, Yokogawa, Schneider, Rockwell, Emerson, Siemens, GE, Invensys Foxboro etc..

5. Le métier d'instrumentiste

Les profils de techniciens ou d'ingénieurs en instrumentation peuvent être variés. Vous pouvez travailler dans la maintenance où vous allez vous occuper de l'entretien et de la maintenance des systèmes de contrôle et des instruments de terrain. Vous pouvez aussi travailler dans la conception, dans ce cas, vous allez vous occuper du dimensionnement des capteurs, le suivi d'installation, la programmation de système de contrôle-commande etc..