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Cours Régulation Industrielle Par S. DOUBABI 1 Chapitre1 : Introduction à la ré

Cours Régulation Industrielle Par S. DOUBABI 1 Chapitre1 : Introduction à la régulation industrielle 1- Qu’est-ce que la régulation industrielle ? C’est l’ensemble des techniques utilisées visant à contrôler une grandeur physique de telle sorte que celle-ci garde constamment sa valeur ou reste proche de la valeur désirée, quelles que soient les perturbations qui peuvent subvenir. Pour réguler un système physique, il faut obligatoirement les trois opérations fondamentales suivantes : i- Mesure : mesurer la grandeur réglée avec un capteur/transmetteur. ii- Décision : en se basant sur la mesure, le régulateur doit élaborer le signal de commande qui permet de maintenir la grandeur réglée à la valeur désirée. iii- Action : suite à la décision du régulateur, l’actionneur agit sur la grandeur réglée. Exemple : Régulation de niveau d’eau dans un réservoir Figure 1.1 : Schéma de principe d’une régulation de niveau Régulateur Consigne (niveau référence) Niveau mesuré Commande eau Actionneur Capteur de niveau Réservoir Grandeur régulée (niveau d’eau) Perte Cours Régulation Industrielle Par S. DOUBABI 2 On peut représenter une régulation sous forme de schéma bloc de la manière suivante : Figure 1.2 : Schéma bloc d’une boucle de régulation 2- Régulation et asservissement Dans une régulation, on s’attachera à limiter les variations de la grandeur réglée autour d’une consigne constante lorsque le système est soumis à des perturbations. Pour d’autre systèmes, la perturbation la plus importante est la consigne elle même. En effet, la consigne peut varier en fonction du temps et par conséquent la grandeur réglée doit suivre les variations de la consigne. On parle, dans ce cas, d’un asservissement. 3- Transmission Deux types de transmission analogique sont couramment utilisés pour la communication entre les différents instruments des systèmes de régulation industrielle.  Transmission pneumatique : utilisée dans les industries pétrolières, pétrochimiques, sidérurgiques… Le signal pneumatique est une pression analogique (air comprimé). Le transmetteur convertit la grandeur mesurée (pression, débit, niveau…) en un signal analogique pneumatique normalisé, variable de 200 à 1000 millibars (mb) soit 3-15 psi. La représentation courante de cette transmission dans le schéma de procédé et d’instrumentation (Process and Instrument Diagram, P&ID) est un trait continu barré comme indiqué sur la figure 1.4. Figure 1.4 : Schéma d’une transmission pneumatique transducteuur Régulateur Actionneur Procédé Capteur /transmetteur Consigne Ecart  Commande u Grandeur mesurée + - Grandeur réglée Perturbation Cours Régulation Industrielle Par S. DOUBABI 3  Transmission électrique : le signal électrique utilisé est une intensité ( ou une tension) analogique normalisée. Plusieurs échelles sont employées : intensité : 4-20 mA ; 10-50 mA, tension : 0-10V ; 1-11V ; 2.5-12.5V. Le signal intensité, d’échelle 4-20mA, est le plus souvent admis comme normalisée. La représentation courante de la transmission électrique, dans les P&ID, est une ligne en pointillé comme il est représenté sur la figure suivante : ………………. Figure 1.5 : Schéma d’une transmission électrique  Transmission numérique : En numérique, les signaux sont codés en binaire sur 8, 16, 32 ou 64 bits en liaison série ou parallèle. La représentation courante de la transmission numérique, dans les P&ID, est un trait discontinu. --------------------- Figure 1.6 : Schéma d’une transmission numérique Souvent, il est nécessaire de faire une transformation du signal intensité en un signal pneumatique. A cet effet, on utilise un transducteur qui permet de convertir le signal électrique normalisé en un signal pneumatique normalisé. 4- Schéma de procédé et d’instrumentation Dans le schéma de procédés et d’instrumentation (P&ID), les instruments utilisés sont représentés par des cercles entourant des lettres définissant la grandeur physique réglée et leurs fonctions. La première lettre définie la grandeur physique réglée, les suivants la fonction des instruments. Un nombre indiquant le numéro de la boucle peut s’ajouter à l’intérieur du cercle. Exemple : Transmetteur de pression PT Pression Transmetteur Cours Régulation Industrielle Par S. DOUBABI 4 Transmetteur de niveau Transmetteur de débit Indicateur de température Régulateur Indicateur de pression Régulateur Indicateur de niveau Régulateur Indicateur de débit Régulateur Indicateur de température Signification de quelques lettres : 1ère lettre Lettres suivantes A Analyse Alarme C Conductivité Régulation (Control) E Tension Elément primaire F Débit (Flow rate) - I Courant Indication J Puissance - L Niveau (Level) Lumière (Light or Low) P Pression - S Vitesse (Speed) Commutateur (Switch) T Température Transmetteur V Viscosité Vanne (Valve) Pression PIC 10 Régulateur Numéro de la boucle Indicateur FT TI LT LIC FIC TIC Cours Régulation Industrielle Par S. DOUBABI 5 Exemple : Régulation de niveau Reprenons le schéma de la figure 1.2. Ce schéma devient en utilisant le schéma de procédé et d’instrumentation (P&ID) : Figure 1.7 : Schéma de procédé et d’instrumentation d’une régulation de niveau d’eau dans un réservoir Vanne de régulation avec positionneur électro-pneumatique. Pompe centrifuge. 5- Régulateurs Un régulateur est un organe qui reçoit la valeur d’une grandeur mesurée à partir d’un transmetteur sous forme de signal pneumatique ou électronique standard, le compare avec une consigne et génère un signal d’erreur, puis calcule et transmet un signal de commande fonction de l’erreur à un actionneur (vanne par exemple) qui agit sur le procédé dans le sens de la réduction du signal d’erreur. La fonction d’erreur peut être simple ou obéir à un algorithme mathématique complexe. h LIC 1 LT 1 Qe Qs hd Cours Régulation Industrielle Par S. DOUBABI 6 5.1- Classification des régulateurs Les régulateurs sont classés selon la nature de l’énergie qu’ils utilisent : a- Pneumatique Ils sont utilisés dans l’industrie chimique du gaz, ne présentent pas de danger d’explosion, de moins en mois utilisés car lents et encombrants, mais le poids du passé est important car beaucoup d’installations sont encore en pneumatique. Sortie : 0,2 à 1 bar (3 à 15 psi). b- Electronique Ils utilisent des signaux analogiques à base d’amplificateurs opérationnels. Sortie : 4 à 20 mA. c- Numérique Actuellement, la plupart des régulateurs sont implantés dans les systèmes de conduite sous forme numérique, c'est-à-dire que la sortie du régulateur est calculée à chaque cycle de traitement en fonction de la consigne et de la mesure. La technologie numérique permet d’avoir une grande souplesse : opération arithmétique, auto ajustement des coefficients, possibilité d’émettre ou de recevoir des données. Le PID reste le régulateur le plus utilisé et le mieux connu, et bien qu’implanté sous forme numérique et avec de nombreuses améliorations, il se présente à l’utilisateur sous une forme très proche de la version initiale continue. 5.2 Aspects fonctionnels des régulateurs PID A- Action proportionnelle L’action proportionnelle consiste à générer une action qui varie de façon proportionnelle au signal d’erreur : u(t) = u0 + Kc e(t) = u0 + Kc (yc(t) – y(t)) où : u(t) est la sortie du contrôleur, u0 est une valeur d’offset, Kc est le gain du contrôleur, yc(t) est la consigne, y(t) est la mesure de la variable à réguler. La valeur de u0 peut être ajustée. Puisque u=u0 lorsque e=0, elle correspond à la valeur nominale de l’action autour du point de fonctionnement. Dans l’implantation pratique, u0 est mesurée en % (de même que u). Sa valeur par défaut est fixée généralement à 50%. Le gain Kc est ajustable. Cours Régulation Industrielle Par S. DOUBABI 7 La fonction de transfert d’un régulateur proportionnel est C(s) = c K E(s) U(s)  . Un inconvénient inhérent au régulateur P est son incapacité à éliminer les erreurs en régime permanent, après un changement de point de consigne ou une variation de charge. B- Action Intégrale et Proportionnelle Intégrale L’intérêt du régulateur intégral est qu’il permet d’éliminer l’erreur de régulation qui persistait avec un régulateur proportionnel seul. Le régulateur intégral est rarement utilisé seul, on l’utilise avec un régulateur proportionnel. La sortie d’un régulateur PI est de la forme : u(t) = u0 + Kc (e(t) + τ)dτ e( T 1 t 0 i  ) La fonction de transfert du PI est : C(s) = ) s i T 1 (1 c K E(s) U(s)   . Problème de saturation de l’intégrale Un des problèmes du régulateur PI est le phénomène appelé saturation de l’intégrale (reset-windup en anglais). Celui-ci se produit lorsque la sortie du régulateur atteint une limite physique de l’actionneur. C- Action proportionnelle Dérivée L’objectif de l’action dérivée est d’anticiper les variations à venir du signal de mesure en appliquant une correction proportionnelle à sa vitesse de variation. La sortie d’un régulateur PD idéal est de la forme : u(t) = u0 + Kp (e(t) + dt de(t) Td ) où la constante Td est appelée temps de dérivée. La fonction de transfert du PD est : C(s) = s) T (1 p K E(s) U(s) d   . En pratique, il n’est pas possible de réaliser un régulateur PD idéal. On utilise en fait un module de dérivée filtrée : Cours Régulation Industrielle Par S. DOUBABI 8 C(s) = ) T 1 s T (1 p K E(s) U(s) d d s N    . Le réglage de la constante de filtrage Td/N permet d’amortir et de limiter la sortie du régulateur. Le coefficient N (5<N<100) correspond au gain du module uploads/Industriel/ cour-regulation-industrielle.pdf