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Chapitre 1 : Objectif de la régulation Chapitre 1 Objectif de la régulation 1.

Chapitre 1 : Objectif de la régulation Chapitre 1 Objectif de la régulation 1. Régulation d'un procédé L'objectif d'une régulation ou d'un asservissement est d'assurer le fonctionnement d'un procédé selon des critères prédéfinis par un cahier des charges. Les aspects de sécurité du personnel et des installations sont à prendre en compte comme ceux concernant l'énergie et le respect de l'environnement. Le cahier des charges définit des critères qualitatifs à imposer qui sont traduits le plus souvent par des critères quantitatifs, comme par exemple, de stabilité, de précision, de rapidité ou de lois d'évolution. Voici quelques exemples d'objectifs qualitatifs : obtenir une combustion air- gaz correcte dans un brûleur, maintenir une qualité constante d'un mélange de produits, obtenir un débit de fluide constant dans une conduite en fonction des besoins, ou faire évoluer une température d'un four selon un profil déterminé. 1.1. Procédé Le procédé est un terme général qui désigne un ensemble d'appareils destiné à obtenir un produit déterminé. L'évolution du procédé dépend d'une ou plusieurs grandeurs incidentes. Le procédé est caractérisé à l'aide d'une ou plusieurs grandeurs physiques mesurables à maîtriser qui vont permettre de contrôler l'objectif fixé (fig. 1.1). Exemple 1.1 Aérotherme Un débit d'air Q est réchauffé à une température T par l'intermédiaire d'une résistance électrique sur laquelle est appliquée une puissance électrique P. Le ventilateur à deux vitesses permet d'avoir le débit d'air désiré. 1 Chapitre 1 : Objectif de la régulation La grandeur à maîtriser est la température TC. Les grandeurs incidentes sur la température sont le débit de l'air Q, la température Tf et la puissance électrique P. Le procédé « aérotherme » peut alors se représenter selon la figure 1.3. Afin de rendre compte du sens de l'influence des grandeurs incidentes, le schéma représentant le procédé peut être détaillé. Si le débit Q augmente (ou diminue) alors la température TC a tendance à diminuer (ou à augmenter). La variation de la température Tf a également un effet opposé à la variation de la température TC. Par contre la variation de puissance électrique P provoque une variation de la température TC dans un même sens. Le schéma de la figure 1.4 prend en compte cela. Exemple 1.2 Mélangeur de lait et de chocolat Afin de fabriquer industriellement du lait chocolaté, on mélange du chocolat à du lait. On souhaite contrôler la qualité du mélange obtenu à partir d'une analyse donnant la concentration en chocolat. Le niveau permet de connaître le volume dans le mélangeur. Les grandeurs à maîtriser sont le niveau H et la concentration C. Les grandeurs incidentes sur le niveau sont le débit de lait QL, le débit de chocolat QC, le débit du mélange QM. Les grandeurs incidentes sur la concentration C du mélange sont le débit de lait QL, le débit de chocolat QC et la concentration CC en chocolat. Le procédé «mélangeur» ayant deux grandeurs à maîtriser H et C, on le représente par deux schémas (fig. 1.6). 2 Chapitre 1 : Objectif de la régulation 1.2. Chaîne d'une régulation Afin d'obtenir le fonctionnement désiré, la régulation doit agir en continu sur le procédé. Pour cela il faut observer la grandeur à maîtriser (observation), comparer cette grandeur à celle désirée et déterminer l'action à entreprendre (réflexion) puis agir sur une ou plusieurs grandeurs incidentes du procédé (action). On obtient alors une chaîne de régulation (fig. 1.7). Chaîne ouverte de régulation L'observation n'est pas celle de la grandeur à maîtriser mais celle d'une grandeur incidente. La réflexion est l'étape où la commande prend en compte une relation préétablie entre la grandeur observée et la grandeur incidente sur laquelle on agit. L'action modifie alors la grandeur à maîtriser. Cette chaîne de régulation est dite ouverte car l'action ne modifie pas la grandeur observée. L'inconvénient majeur est que l'objectif fixé n'est généralement pas atteint complètement. En effet la relation liant la grandeur observée et la grandeur incidente réglante ne prend pas en compte les autres grandeurs incidentes perturbant la grandeur à maîtriser. Exemple 1.1 (suite) L'aérotherme Le but est de maintenir constante la température TC de l'air chaud. On décide de réguler cette température en chaîne ouverte. La chaîne ouverte de régulation comprend alors l'observation de la température Tf. À cette température Tf on fait correspondre une puissance électrique P comme par exemple P = k (T0 - Tf). Donc pour une température désirée T0, si Tf diminue alors on augmente la puissance électrique. On agit donc sur la résistance électrique délivrant une quantité de chaleur due à l'effet Joule qui modifie la température TC (fig. 1.8). Lors d'un changement de débit d'air, la température TC peut être différente de la température désirée T0 mais l'étape de réflexion n'ayant pas le résultat réel, elle ne peut agir pour y remédier. 3 Chapitre 1 : Objectif de la régulation Chaîne fermée de régulation L'observation se porte sur la grandeur à maîtriser. L'étape de réflexion détermine l'écart entre la grandeur observée et la grandeur à maîtriser. En fonction de cet écart et des règles d'évolution fixées, on en déduit l'action à entreprendre. L'action modifie la grandeur incidente réglante et donc la grandeur à maîtriser. Cette chaîne de régulation est dite fermée car l'action modifie la grandeur observée. L'avantage d'une chaîne fennée est qu'une variation de la grandeur observée entraîne une variation de l'action ; l'objectif fixé peut alors être atteint. Exemple 1.1 (suite) L'aérotherme Le but est toujours de maintenir constante la température TC de l'air chaud. On décide de réguler cette température en chaîne fermée. La chaîne fermée de régulation comprend alors l'observation de la température TC. On détermine l'écart T0 - TC et on fait correspondre une puissance électrique P comme par exemple P = k (T0 - Tf) . Donc pour une température désirée T0, si TC diminue on augmente la puissance électrique. On agit donc sur la résistance électrique délivrant une quantité de chaleur due à l'effet Joule qui modifie la température TC{ (fig. 1.9). Lors d'un changement de débit d'air, la température TC s'éloigne de la température désirée T0 mais l'étape de réflexion prenant en compte cette différence, la puissance délivrée est modifiée et donc la température TC. 4 Chapitre 1 : Objectif de la régulation Les procédés industriels ont souvent plusieurs grandeurs incidentes. Il est donc plus intéressant de concevoir des chaînes fermées de régulation puisqu'elles sont plus performantes que les chaînes ouvertes. C'est pourquoi, dans la suite du cours, seules les chaînes fermées de régulation seront étudiées. 1.3. Constitution d'une régulation Pour réaliser la fonction d'observation on implante sur le procédé un organe de mesure appelé capteur ou transmetteur. La fonction de réflexion comprenant le calcul de l'écart entre les grandeurs désirée et mesurée, et l'action à entreprendre est assurée par le régulateur. L'actionneur installé sur le procédé permet évidemment d'agir sur la grandeur incidente choisie du procédé. Le procédé ainsi équipé sera par la suite appelé procédé instrumenté ou encore système. La chaîne fermée de régulation ainsi constituée se représente par un schéma appelé schéma fonctionnel (fig. 1.10). Les éléments fonctionnels Ils sont représentés par des rectangles. Le régulateur comprend le soustracteur (ou comparateur) et le correcteur. Le soustracteur reçoit la consigne et le signal de mesure dont il effectue la différence. Le résultat de cette différence est appelé écart (ou erreur). 5 Chapitre 1 : Objectif de la régulation Le correcteur est chargé d'élaborer un signal de commande à partir de l'écart constaté afin d'obtenir les performances fixées par le cahier des charges (stabilité, précision, rapidité ... ). L'actionneur est commandé par le signal de commande provenant du régulateur. C'est l'organe de puissance de la chaîne de régulation. Il agit sur la grandeur réglante du procédé pour modifier la grandeur physique à maîtriser. Le capteur (ou transmetteur) élabore la mesure de la grandeur à maîtriser et la transmet au régulateur. Les grandeurs et signaux d'informations Ils sont représentés par des flèches. La consigne notée W : c'est la valeur désirée pour la grandeur à maîtriser. La mesure de la grandeur à maîtriser: X. L'écart ou l'erreur entre la consigne et la mesure: = W - X . Le signal de commande Y ou l'ordre correcteur. La grandeur réglante Gr est la grandeur incidente choisie pour ses caractéristiques de rapidité d'action, de souplesse d'utilisation et de son importance d'influence. La grandeur à maîtriser est notée Gm. Les grandeurs incidentes Z1 et Z2 non contrôlées sont les grandeurs perturbatrices appelées perturbations. Exemple 1.2 (suite) Le mélangeur de lait et de chocolat Au regard des deux schémas établis (fig. 1.6) on observe que seules deux grandeurs incidentes influent à la fois sur les grandeurs à maîtriser H et C. Le bon sens guide le choix des grandeurs incidentes ; le débit QM est choisi comme la grandeur réglante permettant de modifier la grandeur à maîtriser H et la concentration CC devient la grandeur réglante contrôlant la grandeur à maîtriser C. Cependant il n'est pas toujours facile, techniquement, de faire varier une grandeur incidente telle que la concentration CC. La variation d'un uploads/Management/ cours-partie-1-modifiee.pdf