Système de contrôle - Control system

Le régulateur centrifuge est un mécanisme de contrôle proportionnel précoce .

Un système de contrôle gère, commande, dirige ou régule le comportement d'autres dispositifs ou systèmes à l'aide de boucles de contrôle . Cela peut aller d'un seul contrôleur de chauffage domestique utilisant un thermostat contrôlant une chaudière domestique à de grands systèmes de contrôle industriels qui sont utilisés pour contrôler des processus ou des machines.

Pour un contrôle modulé en continu, un contrôleur de rétroaction est utilisé pour contrôler automatiquement un processus ou une opération. Le système de contrôle compare la valeur ou l'état de la variable de processus (PV) contrôlée avec la valeur ou le point de consigne (SP) souhaité et applique la différence en tant que signal de commande pour amener la sortie de la variable de processus de l' installation à la même valeur que le consigne.

Pour la logique séquentielle et combinatoire , la logique logicielle , comme dans un contrôleur logique programmable , est utilisée.

Contrôle en boucle ouverte et en boucle fermée

Il existe deux classes courantes d'action de contrôle : la boucle ouverte et la boucle fermée. Dans un système de contrôle en boucle ouverte, l'action de contrôle du contrôleur est indépendante de la variable de processus. Un exemple de ceci est une chaudière de chauffage central contrôlée uniquement par une minuterie. L'action de commande est l'allumage ou l'extinction de la chaudière. La variable de processus est la température du bâtiment. Ce contrôleur fait fonctionner le système de chauffage pendant un temps constant quelle que soit la température du bâtiment.

Dans un système de contrôle en boucle fermée, l'action de contrôle du contrôleur dépend de la variable de processus souhaitée et réelle. Dans le cas de l'analogie avec la chaudière, cela utiliserait un thermostat pour surveiller la température du bâtiment et renverrait un signal pour s'assurer que la sortie du contrôleur maintient la température du bâtiment proche de celle réglée sur le thermostat. Un contrôleur en boucle fermée a une boucle de rétroaction qui garantit que le contrôleur exerce une action de contrôle pour contrôler une variable de processus à la même valeur que le point de consigne. Pour cette raison, les contrôleurs en boucle fermée sont également appelés contrôleurs de rétroaction.

Systèmes de contrôle de rétroaction

Exemple d'une seule boucle de régulation industrielle ; montrant un contrôle modulé en continu du flux de processus.
Une boucle de rétroaction de base

Dans le cas des systèmes de rétroaction linéaire , une boucle de contrôle comprenant des capteurs , des algorithmes de contrôle et des actionneurs est agencée pour tenter de réguler une variable à un point de consigne (SP). Un exemple de tous les jours est le régulateur de vitesse sur un véhicule routier ; où des influences externes telles que des collines provoqueraient des changements de vitesse, et le conducteur a la possibilité de modifier la vitesse de consigne souhaitée. L' algorithme PID du contrôleur restaure la vitesse réelle à la vitesse souhaitée de manière optimale, avec un délai ou un dépassement minimal , en contrôlant la puissance de sortie du moteur du véhicule.

Les systèmes de contrôle qui incluent une certaine détection des résultats qu'ils essaient d'atteindre utilisent le retour d'information et peuvent s'adapter à diverses circonstances dans une certaine mesure. Les systèmes de contrôle en boucle ouverte n'utilisent pas de rétroaction et ne fonctionnent que de manière préétablie.

Contrôle logique

Les systèmes de contrôle logique pour les machines industrielles et commerciales étaient historiquement mis en œuvre par des relais électriques interconnectés et des minuteries à cames utilisant une logique à relais . Aujourd'hui, la plupart de ces systèmes sont construits avec des microcontrôleurs ou des contrôleurs logiques programmables (PLC) plus spécialisés . La notation de la logique à relais est toujours utilisée comme méthode de programmation pour les automates.

Les contrôleurs logiques peuvent réagir aux commutateurs et aux capteurs, et peuvent provoquer le démarrage et l'arrêt de diverses opérations grâce à l'utilisation d' actionneurs . Les contrôleurs logiques sont utilisés pour séquencer les opérations mécaniques dans de nombreuses applications. Les exemples incluent les ascenseurs, les machines à laver et d'autres systèmes avec des opérations interdépendantes. Un système de contrôle séquentiel automatique peut déclencher une série d'actionneurs mécaniques dans le bon ordre pour effectuer une tâche. Par exemple, divers transducteurs électriques et pneumatiques peuvent plier et coller une boîte en carton, la remplir de produit puis la sceller dans une machine d'emballage automatique.

Le logiciel de l'API peut être écrit de différentes manières : schémas à contacts, SFC ( Séquentiel Function Charts ) ou listes d'instructions .

Commande marche-arrêt

Le contrôle marche-arrêt utilise un contrôleur de rétroaction qui bascule brusquement entre deux états. Un simple thermostat domestique bimétallique peut être décrit comme un contrôleur marche-arrêt. Lorsque la température de la pièce (PV) descend en dessous du réglage utilisateur (SP), le chauffage se met en marche. Un autre exemple est un pressostat sur un compresseur d'air. Lorsque la pression (PV) descend en dessous du point de consigne (SP), le compresseur est alimenté. Les réfrigérateurs et les pompes à vide contiennent des mécanismes similaires. Des systèmes de contrôle marche-arrêt simples comme ceux-ci peuvent être bon marché et efficaces.

Contrôle linéaire

Les systèmes de contrôle linéaire utilisent une rétroaction négative pour produire un signal de contrôle afin de maintenir la PV contrôlée au SP souhaité. Il existe plusieurs types de systèmes de contrôle linéaire avec des capacités différentes.

Contrôle proportionnel

Réponses indicielles pour un système du second ordre défini par la fonction de transfert , où est le rapport d'amortissement et est la fréquence propre non amortie .

Le contrôle proportionnel est un type de système de contrôle à rétroaction linéaire dans lequel une correction est appliquée à la variable contrôlée qui est proportionnelle à la différence entre la valeur souhaitée (SP) et la valeur mesurée (PV). Deux exemples mécaniques classiques sont la vanne de dosage à flotteur de la cuvette des toilettes et le régulateur à bille .

Le système de contrôle proportionnel est plus complexe qu'un système de contrôle marche-arrêt, mais plus simple qu'un système de contrôle proportionnel-intégral-dérivé (PID) utilisé, par exemple, dans un régulateur de vitesse automobile . Le contrôle marche-arrêt fonctionnera pour les systèmes qui ne nécessitent pas une grande précision ou réactivité, mais n'est pas efficace pour des corrections et des réponses rapides et opportunes. Le contrôle proportionnel surmonte cela en modulant la variable manipulée (MV), telle qu'une vanne de régulation , à un niveau de gain qui évite l'instabilité, mais applique la correction aussi rapidement que possible en appliquant la quantité optimale de correction proportionnelle.

Un inconvénient du contrôle proportionnel est qu'il ne peut pas éliminer l'erreur SP-PV résiduelle, car il nécessite une erreur pour générer une sortie proportionnelle. Un contrôleur PI peut être utilisé pour surmonter ce problème. Le contrôleur PI utilise un terme proportionnel (P) pour supprimer l'erreur brute et un terme intégral (I) pour éliminer l'erreur de décalage résiduelle en intégrant l'erreur dans le temps.

Dans certains systèmes, il existe des limites pratiques à la portée de la MV. Par exemple, un appareil de chauffage a une limite à la quantité de chaleur qu'il peut produire et une vanne ne peut s'ouvrir que jusqu'à présent. Les ajustements du gain modifient simultanément la plage de valeurs d'erreur sur laquelle se situe la MV entre ces limites. La largeur de cette plage, en unités de la variable d'erreur et donc de la PV, est appelée bande proportionnelle (PB).

Exemple de four

Lors du contrôle de la température d'un four industriel , il est généralement préférable de contrôler l'ouverture du robinet de combustible proportionnellement aux besoins actuels du four. Cela permet d'éviter les chocs thermiques et d'appliquer la chaleur plus efficacement.

À des gains faibles, seule une petite action corrective est appliquée lorsque des erreurs sont détectées. Le système peut être sûr et stable, mais peut être lent en réponse à des conditions changeantes. Les erreurs resteront non corrigées pendant des périodes de temps relativement longues et le système est suramorti . Si le gain proportionnel est augmenté, ces systèmes deviennent plus réactifs et les erreurs sont traitées plus rapidement. Il existe une valeur optimale pour le réglage de gain lorsque l'ensemble du système est considéré comme étant fortement amorti . Les augmentations de gain de boucle au-delà de ce point entraînent des oscillations dans le PV et un tel système est sous- amorti . Le réglage du gain pour obtenir un comportement d'amortissement critique est connu sous le nom de réglage du système de contrôle.

Dans le cas sous-amorti, le four chauffe rapidement. Une fois le point de consigne atteint, la chaleur stockée dans le sous-système de chauffage et dans les parois du four maintiendra la température mesurée au-delà de ce qui est requis. Après avoir dépassé le point de consigne, la température retombe et éventuellement de la chaleur est à nouveau appliquée. Tout retard dans le réchauffage du sous-système de chauffage permet à la température du four de chuter davantage en dessous du point de consigne et le cycle se répète. Les oscillations de température produites par un système de commande de four sous-amorti sont indésirables.

Dans un système à amortissement critique, à mesure que la température approche du point de consigne, l'apport de chaleur commence à être réduit, la vitesse de chauffage du four a le temps de ralentir et le système évite les dépassements. Le dépassement est également évité dans un système suramorti, mais un système suramorti est inutilement lent à atteindre initialement le point de consigne en réponse aux changements externes du système, par exemple l'ouverture de la porte du four.

Contrôle PID

Un schéma fonctionnel d'un contrôleur PID
Effets de la variation des paramètres PID (K p ,K i ,K d ) sur la réponse indicielle d'un système.

Les contrôleurs proportionnels purs doivent fonctionner avec une erreur résiduelle dans le système. Bien que les contrôleurs PI éliminent cette erreur, ils peuvent toujours être lents ou produire des oscillations. Le contrôleur PID corrige ces dernières lacunes en introduisant une action dérivée (D) pour conserver la stabilité tout en améliorant la réactivité.

Action dérivée

La dérivée concerne le taux de variation de l'erreur avec le temps : si la variable mesurée s'approche rapidement du point de consigne, alors l'actionneur est reculé tôt pour lui permettre de rouler jusqu'au niveau requis ; à l'inverse, si la valeur mesurée commence à s'éloigner rapidement du point de consigne, un effort supplémentaire est appliqué — proportionnellement à cette rapidité pour l'aider à reculer.

Sur les systèmes de contrôle impliquant le contrôle du mouvement d'un objet lourd comme un pistolet ou une caméra sur un véhicule en mouvement, l'action dérivée d'un contrôleur PID bien réglé peut lui permettre d'atteindre et de maintenir un point de consigne mieux que la plupart des opérateurs humains qualifiés. Si l'action dérivée est sur-appliquée, elle peut cependant conduire à des oscillations.

Action intégrale

Changement de réponse du système du second ordre à une entrée de pas pour des valeurs de Ki variables.

Le terme intégral amplifie l'effet des erreurs à long terme en régime permanent, en appliquant un effort toujours croissant jusqu'à ce que l'erreur soit supprimée. Dans l'exemple du four ci-dessus fonctionnant à différentes températures, si la chaleur appliquée n'amène pas le four à la consigne, pour une raison quelconque, l' action intégrale déplace de plus en plus la bande proportionnelle par rapport à la consigne jusqu'à ce que l'erreur PV soit réduite à zéro et la consigne est atteinte.

Accélération % par minute

Certains contrôleurs incluent l'option de limiter le « % d'accélération par minute ». Cette option peut être très utile pour stabiliser les petites chaudières (3 MBTUH), surtout pendant l'été, lors de faibles charges. Une chaudière de service public « une unité peut être nécessaire pour changer la charge à un taux pouvant atteindre 5 % par minute (IEA Coal Online - 2, 2007) ».

Autres techniques

Il est possible de filtrer la PV ou le signal d'erreur. Cela peut aider à réduire l'instabilité ou les oscillations en réduisant la réponse du système aux fréquences indésirables. De nombreux systèmes ont une fréquence de résonance . En filtrant cette fréquence, une rétroaction globale plus forte peut être appliquée avant que l'oscillation ne se produise, ce qui rend le système plus réactif sans se séparer.

Les systèmes de rétroaction peuvent être combinés. Dans le contrôle en cascade , une boucle de contrôle applique des algorithmes de contrôle à une variable mesurée par rapport à un point de consigne, mais fournit ensuite un point de consigne variable à une autre boucle de contrôle plutôt que d'affecter directement les variables de processus. Si un système a plusieurs variables de mesure différentes à contrôler, des systèmes de contrôle séparés seront présents pour chacune d'entre elles.

L'ingénierie de contrôle dans de nombreuses applications produit des systèmes de contrôle qui sont plus complexes que le contrôle PID. Exemples d'applications de ces domaines : systèmes de contrôle d'avions pilotés par fil , usines chimiques et raffineries de pétrole. Les systèmes de contrôle prédictif de modèle sont conçus à l'aide d'un logiciel spécialisé de conception assistée par ordinateur et de modèles mathématiques empiriques du système à contrôler.

Logique floue

La logique floue est une tentative d'appliquer la conception simple des contrôleurs logiques au contrôle de systèmes complexes variant continuellement. Fondamentalement, une mesure dans un système de logique floue peut être en partie vraie.

Les règles du système sont écrites en langage naturel et traduites en logique floue. Par exemple, la conception d'un four commencerait par : « Si la température est trop élevée, réduisez le combustible du four. Si la température est trop basse, augmentez le combustible du four.

Les mesures du monde réel (telles que la température d'un four) sont floues et la logique est calculée arithmétiquement, par opposition à la logique booléenne , et les sorties sont défuzzifiées pour contrôler l'équipement.

Lorsqu'une conception floue robuste est réduite à un seul calcul rapide, elle commence à ressembler à une solution de boucle de rétroaction conventionnelle et il peut sembler que la conception floue était inutile. Cependant, le paradigme de la logique floue peut fournir une évolutivité pour les grands systèmes de contrôle où les méthodes conventionnelles deviennent lourdes ou coûteuses à dériver.

L'électronique floue est une technologie électronique qui utilise la logique floue au lieu de la logique à deux valeurs plus couramment utilisée en électronique numérique .

Mise en œuvre physique

Une salle de contrôle DCS où de grands écrans affichent des informations sur l'usine. Les opérateurs peuvent visualiser et contrôler n'importe quelle partie du processus à partir de leurs écrans d'ordinateur, tout en conservant une vue d'ensemble de l'installation sur les écrans plus grands.
Un panneau de commande d'une presse à chaud hydraulique

La gamme de mise en œuvre du système de contrôle va des contrôleurs compacts souvent avec un logiciel dédié pour une machine ou un appareil particulier, aux systèmes de contrôle distribués pour le contrôle des processus industriels pour une grande usine physique .

Les systèmes logiques et les contrôleurs de rétroaction sont généralement mis en œuvre avec des contrôleurs logiques programmables .

Voir également

Les références

Liens externes