Comprendre la régulation PID facilement

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Explication des principaux termes associés à la régulation de température PID

Régulation tout ou rien

La régulation tout ou rien est le mode de régulation le plus simple mais il engendre des fluctuations de la variable process (Fig 1). Un degré d’hystérésis ou de zone morte doit être défini dans la régulation tout ou rien si le fonctionnement de l’appareil de commutation doit être réduit et le claquement du relais doit être évité (Fig 2).

La régulation tout ou rien est une forme de régulation très simple qui entraîne une oscillation de la variable process. Cette oscillation peut affecter la qualité du produit final et est indésirable. L’alternative consiste à utiliser une régulation à 3 termes, connue sous le nom de régulation PID.

Pour savoir quel régulateur correspond le mieux à vos besoins :

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Régulation à 3 termes

Une boucle fermée consiste à disposer des éléments suivants :

Un process à réguler dans l’usine ; G(s)
Un capteur pour détecter la valeur process (PV), tel qu’un thermocouple ou un dispositif de détection de pression
Un régulateur pour assurer le contrôle de ce process, désigné dans le diagramme par le terme PID.
Une sortie vers un actionneur ou un dispositif pour réguler le stimulus d’entrée de ce process, telle que la chaleur.

Pour comprendre les critères PID, la comparaison avec la conduite d’une voiture peut être utilisée

Une simple régulation tout ou rien peut être comparée à démarrer le moteur (= G(s)) de la voiture (= Usine), appuyer sur l’accélérateur (= sortie) à fond jusqu’à ce que la vitesse souhaitée (= consigne ou SP) de 80 km/h soit atteinte comme indiqué sur le compteur de vitesse (= PV), puis retirer complètement le pied de l’accélérateur. Lorsque la vitesse descend en dessous de 80 km/h, l’accélérateur est à nouveau enfoncé au sol jusqu’à ce que 80 km/h soient à nouveau atteints.

Comparaison avec la régulation proportionnelle

Si nous souhaitons démarrer de 0 km/h pour atteindre 80 km/h, nous pouvons considérer la procédure que nous adoptons pour y parvenir pour expliquer le terme proportionnel.

À l’arrêt, nous appuyons sur la pédale d’accélérateur. La vitesse du véhicule augmente et à partir d’une certaine vitesse inférieure à notre vitesse cible de 80 km/h, nous commençons à relâcher la pédale d’accélérateur afin d’éviter de dépasser la vitesse souhaitée. Ce relâchement de la pédale d’accélérateur peut être directement comparé à l’entrée dans la Bande Proportionnelle ou la bande relative à la vitesse requise. Si nous ne regardons pas le compteur de vitesse nous roulerons certainement à une vitesse qui n’est pas notre vitesse souhaitée et une erreur en résultera.

Comparaison avec la régulation intégrale

Si à présent nous regardons le compteur de vitesse, nous voyons que nous sommes en bas de notre vitesse souhaitée et en utilisant ce retour visuel, nous corrigeons l’erreur et commençons à appuyer lentement sur le pédale d’accélérateur. En conséquence, notre vitesse augmente lentement pour atteindre la vitesse souhaitée de 80 km/h.

Cette procédure peut être comparée au temps d’intégral d’un régulateur PID.

Comparaison avec la régulation dérivée

Nous naviguons maintenant à notre consigne de 80 km/h et nous continuons à maintenir cette vitesse grâce au retour visuel du compteur de vitesse.

Si nous rencontrons un changement soudain dans le profil de la route, tel qu’une pente, nous corrigeons la réduction de vitesse qui en résulterait en appuyant sur la pédale d’accélérateur plus que ce ne serait le cas pour la légère réduction de vitesse que nous rencontrons initialement. Au fur et à mesure que la pente de la route se stabilise, nous relâchons davantage la pédale d’accélérateur que ce ne serait autrement le cas pour la légère augmentation de la vitesse afin d’éviter d’augmenter notre vitesse trop loin au-delà de notre vitesse cible.

La quantité de correction et le temps pour réduire cette correction à zéro peuvent être comparés au temps dérivé.

Lorsque nous conduisons une voiture depuis un certain temps, ces manières de procéder deviennent une seconde nature pour nous et nous ne pensons pas à la technique que nous utilisons pour conduire. Considérez, cependant, le process d’apprentissage d’une personne qui débute la conduite et vous observerez ces descriptions en action.

Différentes variables de process telles que la température, la vitesse, la pression, etc. ont toutes des caractéristiques différentes. Par exemple, une température sur un cylindre d’extrudeuse répond très lentement alors que la vitesse répond beaucoup plus rapidement et la pression peut répondre encore plus rapidement.

Les informations données ci-dessus peuvent sembler faciles pour générer un régulateur PID en utilisant des termes mathématiques simples. En réalité, les fabricants de régulateurs industriels développent des algorithmes de régulation sophistiqués, contenant de nombreuses autres fonctionnalités que celles décrites ci-dessus. De cette manière, ils sont en mesure de fournir à l’industrie des régulateurs qui offrent d’excellentes performances dans une large gamme d’applications de régulation.

Des techniques supplémentaires sont également incluses pour empêcher la saturation du terme intégral dans des conditions de boucle ouverte et pour empêcher le dépassement de la valeur du point de consigne. Les deux conditions de démarrage ou de consigne modifiée et les conditions de fonctionnement normal nécessitent généralement des réponses différentes. Des algorithmes de régulation avancés sont développés par des sociétés de régulation pour compenser les deux conditions.

Réponse de boucle

La combinaison des trois termes ne peut fournir un effet stabilisateur sur un procédé que si les termes sont correctement définis. C’est ce qu’on appelle « régler la boucle ». Si l’on ignore la situation d’oscillation de boucle, il existe trois catégories de performances de boucle :

Sous amorti

Dans cette situation, les termes sont définis pour empêcher l’oscillation mais conduisent à un dépassement de la valeur de process suivi d’une oscillation décroissante pour finalement se stabiliser au point de consigne. Ce type de réponse donne un temps minimum au point de consigne mais un dépassement peut causer des problèmes dans certaines situations et la boucle peut être sensible aux changements soudains de la valeur de procédé. Cela entraînera d’autres oscillations décroissantes avant de se stabiliser à nouveau.

Amortissement critique

Cela représente une situation idéale où le dépassement ne se produit pas et le process répond aux changements de manière contrôlée et non oscillatoire.

Sur amorti

Dans cette situation, la boucle répond de manière contrôlée mais lente, ce qui se traduira par une performance de boucle qui n’est pas optimale et inutilement lente. L’équilibrage des termes P, I et D dépend totalement de la nature du process à réguler.

Dans l’extrusion plastique par exemple, une zone de barillet aura une réponse différente à un rouleau de coulée, une boucle d’entraînement, une boucle de contrôle d’épaisseur ou une boucle de pression. Afin d’obtenir les meilleures performances d’une ligne d’extrusion, tous les paramètres de réglage de la boucle doivent être réglés sur leurs valeurs optimales. Inutile de dire que de nombreuses lignes d’extrusion et équipements industriels ne sont pas configurés pour offrir leurs meilleures performances.

Réglage de boucle

Il existe de nombreuses méthodes documentées pour régler une boucle, les méthodes les plus courantes étant les suivantes :

Ziegler Nicholls : Cette méthode consiste à mettre la boucle en oscillation et à mesurer la période d’oscillation T. L’oscillation est provoquée en désactivant les termes I et D et en réduisant la bande proportionnelle jusqu’à ce que la boucle oscille. Le réglage du terme P au début de l’oscillation (Px) est utilisé pour déterminer la bande proportionnelle souhaitée.

Cohen & Coon : Dans cette méthode, la puissance est appliquée à partir d’une faible valeur de process et une note est prise sur le temps avant qu’une réponse ne soit observée (temps mort) et le taux maximum de changement de la valeur de process. En combinant ces informations avec la stabilisation finale de la valeur process résultant de la puissance appliquée, les valeurs P, I et D sont calculées.

Méthode traditionnelle

Une méthode plus simple pour déterminer manuellement les valeurs P, I et D consiste à désactiver les termes Intégral et Dérivé et à définir la Bande proportionnelle au minimum. La largeur d’oscillation résultante Xosc et la période d’oscillation tosc peuvent être utilisées pour déterminer les paramètres PID indiqués ci-dessous.

P = 2.0 * Xosc
I = 1.5 * tosc
D = I / 5

Ces valeurs entraînent une réponse légèrement suramortie et par conséquent toutes les valeurs peuvent être légèrement réduites pour donner une boucle plus réactive.

Auto réglage : (Standard avec tous les régulateurs PID Eurotherm)

La méthode initiale standard de réglage d’une boucle de process consiste à utiliser les algorithmes de réglage adaptatifs avancés intégrés dans les régulateurs actuels, pour tester automatiquement la boucle et mettre en œuvre les paramètres de contrôle PID optimaux.

Des précautions doivent être prises pour s’assurer que les oscillations de la valeur de process n’endommageront pas le process en cours de réglage. Il est recommandé de régler le point de consigne à des fins de réglage en dessous de la valeur du point de consigne de fonctionnement normal.

Eviter le dépassement

Diverses techniques sont utilisées pour éviter le dépassement. L’objectif est d’empêcher que la valeur de process ne dépasse la valeur ou la consigne souhaitée. Dans l’exemple illustré, la bande proportionnelle est abaissée pour accompagner la valeur de process en approche afin de réduire la puissance de sortie et d’amener en douceur la valeur de procédé vers la consigne souhaitée.