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MAINTENANCE INSTRUMENTATION LE REGULATEUR ET SES FONCTIONS MANUEL DE FORMATION

MAINTENANCE INSTRUMENTATION LE REGULATEUR ET SES FONCTIONS MANUEL DE FORMATION Cours EXP-MN-SI070 Révision 0 Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Le Régulateur et Ses Fonctions Manuel de Formation : EXP-MN-SI070-FR Dernière Révision: 23/07/2008 Page 2 de 75 MAINTENANCE INSTRUMENTATION LE REGULATEUR ET SES FONCTIONS SOMMAIRE 1. OBJECTIFS.....................................................................................................................5 2. LA REGULATION ............................................................................................................6 2.1. DEFINITIONS ...........................................................................................................6 2.2. INTRODUCTION.......................................................................................................6 2.2.1. Le comportement en régulation.........................................................................8 2.2.2. Le comportement en asservissement................................................................8 2.3. LA REGULATION EN BOUCLE FERMEE................................................................9 2.3.1. Principe de fonctionnement...............................................................................9 2.4. LA REGULATION EN BOUCLE OUVERTE............................................................11 2.4.1. Principe de fonctionnement.............................................................................11 3. LE PROCEDE ET SES CARACTERISTIQUES.............................................................13 3.1. LA STABILITE.........................................................................................................13 3.1.1. Procédé naturellement stable..........................................................................13 3.1.1.1. Le principe..................................................................................................13 3.1.1.2. Exemple de procédé stable........................................................................14 3.1.2. Procédé naturellement instable.......................................................................15 3.1.2.1. Le principe..................................................................................................15 3.1.2.2. Exemple de procédé instable.....................................................................15 3.2. PARAMETRES DE LA REPONSE D’UN PROCEDE..............................................16 3.2.1. Régime transitoire et régime permanent .........................................................16 3.2.1.1. Le principe..................................................................................................16 3.2.1.2. Exemple .....................................................................................................16 3.2.1.3. Conclusion .................................................................................................20 3.3. CARACTERISTIQUE STATIQUE D’UN PROCEDE ...............................................20 3.3.1. Le gain statique ...............................................................................................20 3.3.2. L’erreur statique ..............................................................................................21 3.3.3. Linéarité et non linéarité d’un système (procédé)............................................21 3.4. CARACTERISTIQUE DYNAMIQUE D’UN PROCEDE ...........................................21 3.4.1. Le temps de réponse.......................................................................................21 3.4.2. Le dépassement..............................................................................................21 4. LE REGULATEUR.........................................................................................................22 4.1. LE ROLE DU REGULATEUR .................................................................................22 4.2. LA STRUCTURE DU REGULATEUR .....................................................................23 4.3. REPRESENTATION D’UN REGULATEUR SUR UN SCHEMA PID.......................27 4.4. CLASSIFICATION DES REGULATEURS...............................................................28 4.4.1. Le régulateur pneumatique..............................................................................28 4.4.2. Le régulateur électronique...............................................................................30 4.5. SENS D’ACTION DU REGULATEUR.....................................................................33 4.5.1. Définition .........................................................................................................33 4.5.2. Choix du sens d’action du régulateur ..............................................................34 5. LES ALGORITHMES DU REGULATEUR .....................................................................35 5.1. ACTION PROPORTIONNELLE ..............................................................................35 Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Le Régulateur et Ses Fonctions Manuel de Formation : EXP-MN-SI070-FR Dernière Révision: 23/07/2008 Page 3 de 75 5.1.1. Définition .........................................................................................................35 5.1.2. Présentation ....................................................................................................36 5.1.3. Fonctionnement...............................................................................................38 5.1.4. Influence de la bande proportionnelle .............................................................39 5.1.5. Décalage de bande .........................................................................................41 5.1.6. Influence du décalage de bande .....................................................................42 5.1.7. Représentation fonctionnelle d’une régulation proportionnelle........................42 5.2. ACTION INTEGRALE .............................................................................................43 5.2.1. Qu’est-ce qu’une action intégrale ? .................................................................43 5.2.2. Fonctionnement...............................................................................................43 5.2.3. Supprimer l’action intégrale.............................................................................44 5.2.4. Action conjuguée PI ........................................................................................44 5.2.5. Influence du paramètre temps intégral ............................................................45 5.3. ACTION DERIVEE..................................................................................................46 5.3.1. Qu’est-ce qu’une action dérivée ? ...................................................................46 5.3.2. Fonctionnement...............................................................................................46 5.3.3. Influence du paramètre temps de dérivée .......................................................48 5.3.4. Action conjuguée PID......................................................................................49 5.3.5. Récapitulatif des actions PID...........................................................................49 5.3.6. Avantages et inconvénients.............................................................................50 5.4. LES DIVERS STRUCTURES D’UN REGULATEUR PID........................................51 5.4.1. Comment déterminer la structure interne d’un régulateur PID ? .....................51 5.4.2. La structure série.............................................................................................52 5.4.3. La structure mixte............................................................................................52 5.4.4. La structure parallèle.......................................................................................52 6. DETERMINATION DES ACTIONS D’UN REGULATEUR.............................................55 6.1. LA MÉTHODE ZIEGLER ET NICHOLS ..................................................................56 6.1.1. Réponse du procédé en boucle ouverte..........................................................57 6.2. LA MÉTHODE PAR IDENTIFICATION D’UN PROCÉDÉ STABLE ........................58 6.2.1. La méthode de Strejc ......................................................................................59 6.2.2. La méthode de Broîda.....................................................................................59 6.2.2.1. Identification du procédé en boucle ouverte...............................................60 6.2.2.2. Identification en boucle fermée ..................................................................60 6.3. LA MÉTHODE PAR IDENTIFICATION D’UN PROCÉDÉ INSTABLE.....................63 6.3.1. Identification en boucle ouverte.......................................................................63 6.3.2. Identification en boucle fermée........................................................................64 6.4. LA MÉTHODE DU RÉGLEUR (PAR APPROCHES SUCCESSIVES)....................65 7. LA BOUCLE DE REGULATION ....................................................................................67 7.1. LA REGULATION UNI-BOUCLE.............................................................................67 7.1.1. La boucle de régulation simple........................................................................67 7.2. LA REGULATION MULTI BOUCLE ........................................................................67 7.2.1. Les différentes régulations multi boucles.........................................................67 7.2.1.1. La Régulation en Cascade.........................................................................67 7.2.1.2. La Régulation de proportion (ratio).............................................................68 7.2.1.3. La Régulation feedforward (mixte) .............................................................69 7.2.1.4. La Régulation Split-Range (échelle partagée)............................................70 7.2.1.5. La régulation Tout Ou Rien ........................................................................72 8. SOMMAIRE DES FIGURES..........................................................................................73 Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Le Régulateur et Ses Fonctions Manuel de Formation : EXP-MN-SI070-FR Dernière Révision: 23/07/2008 Page 4 de 75 9. SOMMAIRE DES TABLES ............................................................................................75 Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Le Régulateur et Ses Fonctions Manuel de Formation : EXP-MN-SI070-FR Dernière Révision: 23/07/2008 Page 5 de 75 1. OBJECTIFS Le but de ce cours est de permettre à un futur instrumentiste de comprendre les bases de l’instrumentation sur un site industriel à dominance pétrolière. Ce cours a pour finalité : De savoir comment est constitué un régulateur, De savoir à quoi il sert, De connaître toutes ses fonctions, De savoir régler les actions d’un régulateur. Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Le Régulateur et Ses Fonctions Manuel de Formation : EXP-MN-SI070-FR Dernière Révision: 23/07/2008 Page 6 de 75 2. LA REGULATION 2.1. DEFINITIONS Grandeur réglée Grandeur physique que l'on désire contrôler. Elle donne son nom à la régulation. Exemple: une régulation de température. Valeur de consigne Valeur que doit prendre la grandeur réglée. Grandeur réglante Grandeur physique qui a été choisie pour contrôler la grandeur réglée. Elle n'est généralement pas de même nature que la grandeur réglée. Grandeurs perturbatrices Grandeurs physiques qui influencent la grandeur réglée. Elles ne sont généralement pas de même nature que la grandeur réglée (ex : variation de température ambiante). Organe de réglage ou de contrôle Élément qui agit sur la grandeur réglante (ex : la vanne de régulation). 2.2. INTRODUCTION La majorité des processus industriels nécessitent de contrôler un certain nombre de paramètres : température, pression, débit, niveau, pH, concentration d’O2, etc….. Il appartient à la chaîne de régulation (et plus généralement à la chaîne d’asservissement) de maintenir à des niveaux prédéterminés les paramètres qui régissent le fonctionnement du processus. Toute chaîne de régulation (ou d’asservissement) comprend quatre maillons indispensables : le capteur et son transmetteur, l’actionneur (vanne de régulation, variateur de vitesse, etc…), le régulateur et le procédé industriel (échangeur thermique, colonne distillation, etc..). Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Le Régulateur et Ses Fonctions Manuel de Formation : EXP-MN-SI070-FR Dernière Révision: 23/07/2008 Page 7 de 75 Il faut donc commencer par mesurer les principales grandeurs servant à contrôler le procédé. Le régulateur récupère ces mesures et les compare aux valeurs souhaitées par l’opérateur, plus communément appelées « valeurs de consigne ». En cas de non concordance des valeurs de mesure et des valeurs de consigne, le régulateur envoie un signal de commande à l’actionneur, afin que celui-ci agisse sur le procédé. Les paramètres qui régissent le procédé sont ainsi stabilisés en permanence à des niveaux souhaités. Si on prend l’exemple d’un échangeur thermique, la grandeur réglée est la température de sortie (qui doit être maintenue constante, à une valeur de consigne prédéterminée) et la grandeur réglante est le débit du fluide caloporteur. Les variations de débit de la charge et des changements de température ambiante sont considérés comme étant des grandeurs perturbatrices. Figure 1: Schéma de principe de la chaîne de régulation Le choix des éléments de la chaîne de régulation est dicté par les caractéristiques du processus industriel à contrôler, ce qui nécessite de bien connaître le processus et son comportement. Dans la chaîne de régulation, les 3 organes que nous avons cités précédemment constituent le système réglant, tandis que le procédé constitue le système réglé. Après action du régulateur, deux comportements peuvent être obtenus en automatique : Le comportement en régulation Le comportement en asservissement L’instrumentiste ‘subit’ le procédé de fabrication alors qu’il ‘choisit’ le système réglant (constitué de capteurs, de régulateurs et d’actionneurs). Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Le Régulateur et Ses Fonctions Manuel de Formation : EXP-MN-SI070-FR Dernière Révision: 23/07/2008 Page 8 de 75 2.2.1. Le 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 de consigne sont très souvent fixes. Néanmoins, pour tester les performances et la qualité d’une boucle de régulation, l’instrumentiste s’intéresse à l’aspect asservissement. Figure 2 : Réponse indicielle en régulation d’un procédé 2.2.2. Le 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. Figure 3 : Réponse indicielle en asservissement d’un procédé Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Le Régulateur et Ses Fonctions Manuel de Formation : EXP-MN-SI070-FR Dernière Révision: 23/07/2008 Page 9 de 75 2.3. LA REGULATION EN BOUCLE FERMEE Il y a deux manières de « qualifier » une régulation en boucle fermée : La première (comportement en régulation) consiste à voir comment elle réagit à une perturbation extérieure, La seconde (comportement en asservissement) consiste à voir sa réaction à une variation de consigne. Figure 4 : Schéma de principe d’une régulation en boucle fermée C’est le fonctionnement normal d’une régulation : le régulateur est en Automatique. Le régulateur compare la mesure de la grandeur réglée et la consigne et agit en conséquence pour s'en rapprocher. 2.3.1. Principe de fonctionnement La variable de sortie ou « grandeur réglante » exerce une influence sur la variable d’entrée ou « grandeur réglée » pour la maintenir dans les limites définies : Il s’agit d’une régulation ou d’un asservissement en boucle fermée. L’action de la grandeur réglante sur la grandeur réglée s’opère à travers le « procédé ou le système » qui boucle la chaîne. Dans une régulation en boucle fermée, une bonne partie des perturbations, y compris les dérives propres de certains composants de la boucle, sont automatiquement compensés par la contre-réaction à travers le procédé. Formation Exploitation Maintenance Instrumentation Le Régulateur et Ses Fonctions Manuel de Formation : EXP-MN-SI070-FR Dernière Révision: 23/07/2008 Page 10 de 75 Exemple : Figure 5 : Exemple de régulation en boucle uploads/Finance/ le-regulateur-et-ses-fonctions.pdf