Introduction aux systèmes de contrôle

Ce tutoriel propose une introduction au sujet de la régulation automatique, couvrant les éléments de base d’un système de contrôle, les différentes fonctions de régulation et la terminologie associée, avec un accent particulier sur la sécurité, ainsi que la stabilité et la précision de la régulation.

Le domaine de la régulation automatique est vaste, couvrant le contrôle de variables telles que la température, la pression, le débit, le niveau et la vitesse.

L’objectif de ce chapitre est de fournir une introduction à la régulation automatique. Celle-ci peut également être divisée en deux parties :

• Le contrôle des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (communément appelés CVC) ; et
• La régulation de processus. Les deux sont des sujets immenses, le second allant du contrôle d’une simple cuisinière domestique à un système de production complet ou à un processus industriel tel qu’on peut en trouver dans un grand complexe pétrochimique. L’ingénieur en régulation doit maîtriser diverses compétences - des connaissances en ingénierie mécanique, en ingénierie électrique, en électronique et en systèmes pneumatiques, une compréhension pratique de la conception CVC et des applications de processus, et de plus en plus aujourd’hui, une connaissance des ordinateurs et des communications numériques. Ce chapitre a pour but de fournir un aperçu de base des aspects pratiques et théoriques de la régulation automatique, sur lesquels d’autres compétences pourront être ajoutées ultérieurement, et non de transformer un individu en ingénieur en régulation. Ce chapitre se limite au contrôle des processus utilisant les fluides suivants : vapeur, eau, air comprimé et huiles thermiques. La régulation est généralement réalisée en faisant varier le débit du fluide à l’aide de vannes motorisées. Pour les fluides mentionnés ci-dessus, le besoin habituel est de mesurer et de répondre aux variations de température, de pression, de niveau, d’humidité et de débit. Presque toujours, la réponse aux changements de ces propriétés physiques doit se faire dans un délai donné. La manipulation combinée de la vanne et de son actionneur dans le temps, et le contrôle précis de la variable mesurée, seront expliqués plus loin dans ce chapitre. Le contrôle des fluides ne se limite pas aux vannes. Certains flux de processus sont manipulés par l’action de pompes ou de ventilateurs à vitesse variable.

La nécessité de la régulation automatique Il existe trois raisons principales pour lesquelles les installations de processus ou les bâtiments nécessitent une régulation automatique :

• Sécurité - L’installation ou le processus doit être sûr à exploiter. Plus le processus ou l’installation est complexe ou dangereux, plus le besoin en régulation automatique et en protocoles de sécurité est important.
• Stabilité - L’installation ou les processus doivent fonctionner de manière régulière, prévisible et répétible, sans fluctuations ni arrêts imprévus.
• Précision - C’est une exigence fondamentale dans les usines et les bâtiments pour prévenir les détériorations, améliorer la qualité et les cadences de production, et maintenir le confort. Ce sont les fondements de l’efficacité économique. D’autres avantages souhaitables tels que l’économie, la rapidité et la fiabilité sont également importants, mais c’est par rapport aux trois paramètres majeurs de sécurité, de stabilité et de précision que chaque application de régulation sera évaluée. Terminologie de la régulation automatique Des termes spécifiques sont utilisés dans l’industrie de la régulation, principalement pour éviter toute confusion. Les mêmes mots et expressions se retrouvent dans tous les aspects de la régulation, et lorsqu’ils sont utilisés correctement, leur signification est universelle. Le simple système manuel décrit dans l’Exemple 5.1.1 et illustré à la Figure 5.1.1 est utilisé pour introduire certains termes standard utilisés en ingénierie de la régulation. Exemple 5.1.1 Une analogie simple d’un système de contrôle Dans l’exemple de processus montré (Figure 5.1.1), l’opérateur fait varier manuellement le débit d’eau en ouvrant ou en fermant une vanne d’entrée pour s’assurer que :
• Le niveau d’eau n’est pas trop élevé ; sinon il s’écoulera par trop-plein.
• Le niveau d’eau n’est pas trop bas ; sinon il ne couvrira pas le fond du réservoir. Le résultat est que l’eau s’écoule du réservoir à un débit dans une plage requise. Si l’eau s’écoule à un débit trop élevé ou trop bas, le processus qu’elle alimente ne peut pas fonctionner correctement. À un stade initial, la vanne de sortie dans la conduite de refoulement est fixée à une position déterminée. L’opérateur a marqué trois lignes sur le côté du réservoir pour lui permettre de manipuler l’alimentation en eau via la vanne d’entrée. Les 3 niveaux représentent :

1. Le niveau d’eau le plus bas autorisé pour garantir que le fond du réservoir est couvert.
2. Le niveau d’eau le plus haut autorisé pour garantir qu’il n’y a pas d’écoulement par le trop-plein.
3. Le niveau idéal entre 1 et 2.

L’exemple (Figure 5.1.1) démontre que :

1. L’opérateur vise à maintenir l’eau dans le réservoir entre les niveaux 1 et 2. Le niveau d’eau est appelé la condition contrôlée.
2. La condition contrôlée est atteinte en contrôlant le débit d’eau à travers la vanne dans la conduite d’entrée. Le débit est connu sous le nom de variable manipulée, et la vanne est désignée comme l’élément de commande.
3. L’eau elle-même est connue sous le nom d’agent de contrôle.
4. En contrôlant le débit d’eau dans le réservoir, le niveau d’eau dans le réservoir est modifié. Le changement de niveau d’eau est connu sous le nom de variable contrôlée.
5. Une fois l’eau dans le réservoir, elle est connue sous le nom de milieu contrôlé.
6. Le niveau d’eau que l’on cherche à maintenir sur l’indicateur visuel est connu sous le nom de valeur de consigne (également appelée point de consigne).
7. . Le niveau d’eau peut être maintenu à n’importe quel point entre 1 et 2 sur l’indicateur visuel et répondre toujours aux paramètres de contrôle, à savoir que le fond du réservoir est couvert et qu’il n’y a pas de trop-plein. Toute valeur dans cette plage est connue sous le nom de valeur souhaitée.
8. Supposons que le niveau est strictement maintenu à n’importe quel point entre 1 et 2. C’est le niveau d’eau en régime permanent, appelé valeur de contrôle ou valeur réelle. Note : En référence aux points (7) et (8) ci-dessus, le niveau d’eau idéal à maintenir était au point 3. Mais si le niveau réel se situe à n’importe quel point entre 1 et 2, c’est quand même satisfaisant. La différence entre le point de consigne et la valeur réelle est connue sous le nom d’écart.
9. Si la vanne d’entrée est fermée vers une nouvelle position, le niveau d’eau baissera et l’écart changera. Un écart permanent est appelé décalage (offset). Éléments de la régulation automatique

Exemple 5.1.2 Éléments de la régulation automatique

• L’oeil de l’opérateur détecte le mouvement du niveau d’eau par rapport à l’échelle de repérage. Son oeil peut être considéré comme un capteur.
• L’oeil (capteur) transmet cette information au cerveau, qui constate un écart. Le cerveau peut être considéré comme un contrôleur.
• Le cerveau (contrôleur) agit en envoyant un signal au muscle du bras et à la main, qui peuvent être considérés comme un actionneur.
• Le muscle du bras et la main (actionneur) tournent la vanne, qui peut être considérée comme l’élément de commande. Il convient de répéter ces points d’une manière légèrement différente pour renforcer l’Exemple 5.1.2 : En termes simples, l’objectif de l’opérateur dans l’Exemple 5.1.1 est de maintenir l’eau dans le réservoir à un niveau prédéfini. Le niveau 3 peut être considéré comme sa cible ou son point de consigne. L’opérateur manipule physiquement le niveau en ajustant la vanne d’entrée (l’élément de commande). Dans cette opération, il est nécessaire de tenir compte de la compétence et de la concentration de l’opérateur. En raison de cela, il est peu probable que le niveau d’eau soit exactement au niveau 3 en permanence. En général, il se situera à un point au-dessus ou en dessous du niveau 3. La position ou le niveau à un moment donné est appelé valeur de contrôle ou valeur réelle. La quantité d’erreur ou la différence entre le point de consigne et la valeur réelle est appelée écart. Lorsqu’un écart est constant, ou en régime permanent, il est appelé écart permanent ou décalage (offset). Bien que l’opérateur manipule le niveau d’eau, l’objectif final est de produire un résultat approprié, dans ce cas, un débit d’eau requis à partir du réservoir. ****Évaluation de la sécurité, de la stabilité et de la précision On peut supposer qu’un processus typique de celui de l’Exemple 5.1.1 ne contient ni ingrédients de valeur ni ingrédients nocifs. Par conséquent, le trop-plein ou le manque d’eau seront sans danger, mais ni économiques ni productifs. En termes de stabilité, l’opérateur serait en mesure de gérer ce processus à condition de faire preuve d’une attention totale et constante. La précision n’est pas une caractéristique de ce processus car l’opérateur ne peut répondre qu’à une erreur visible et reconnaissable. Résumé de la terminologie

Point de consigne	La valeur réglée sur l’échelle du système de contrôle pour obtenir la condition requise. Si le contrôleur était réglé à 60°C pour une application particulière : 60°C serait appelé le « point de consigne ».
Valeur souhaitée	La valeur requise qui devrait être maintenue dans des conditions idéales.
Valeur de contrôle	La valeur de la condition contrôlée effectivement maintenue en régime permanent.
Écart	La différence entre le point de consigne et la valeur de contrôle.
Décalage (offset)	Écart permanent.
Capteur	L’élément qui répond directement à la grandeur de la condition contrôlée.
Milieu contrôlé	Le milieu contrôlé par le système. Le milieu contrôlé dans la Fig 5.1.1 est l’eau dans le réservoir.
Condition contrôlée	La condition physique du milieu contrôlé. La condition contrôlée dans la Fig 5.1.1 est le niveau d’eau.
Contrôleur	Un dispositif qui accepte le signal du capteur et envoie un signal de correction (ou de commande) à l’actionneur.
Actionneur	L’élément qui ajuste l’élément de commande en réponse au signal d’un contrôleur.
Élément de commande	L’élément de commande final dans un système de régulation, tel qu’une control valve ou une pompe à vitesse variable.

Il existe de nombreux autres termes utilisés en régulation automatique ; ceux-ci seront expliqués plus loin dans ce chapitre.

Éléments d’un système de régulation de température ****L’Exemple 5.1.1 décrit un simple système de régulation manuelle de niveau. Cela peut être comparé à un simple exemple de régulation de température comme montré dans l’Exemple 5.1.3 (contrôlé manuellement) et la Figure 5.1.3. Tous les facteurs et définitions précédents s’appliquent. Exemple 5.1.3 Représentation d’un simple système de régulation manuelle de température La tâche consiste à admettre suffisamment de vapeur (le fluide de chauffage) pour chauffer l’eau entrante depuis une température T1 ; en s’assurant que l’eau chaude quitte le réservoir à la température requise T2.

Évaluation de la sécurité, de la stabilité et de la précision Alors que le fonctionnement manuel pourrait probablement contrôler le niveau d’eau dans l’Exemple 5.1.1, le contrôle manuel de la température est intrinsèquement plus difficile dans l’Exemple 5.1.3 pour diverses raisons.

Si le débit d’eau varie, les conditions auront tendance à changer rapidement en raison de la grande quantité de chaleur contenue dans la vapeur. La réponse de l’opérateur en modifiant la position de la vanne de vapeur pourrait simplement ne pas être assez rapide. Même après la fermeture de la vanne, le serpentin contiendra encore une quantité de vapeur résiduelle, qui continuera à céder sa chaleur en se condensant. Anticiper les changements L’expérience aidera, mais en général l’opérateur ne sera pas en mesure d’anticiper les changements. Il doit observer le changement avant de prendre une décision et d’effectuer une action.

Cela et d’autres facteurs, tels que l’inconvénient et le coût d’un opérateur humain permanent en service, les erreurs potentielles de l’opérateur, les variations des besoins du processus, la précision, les changements rapides de conditions et l’implication de plusieurs processus, tout cela mène à la nécessité d’une régulation automatique.

En ce qui concerne la sécurité, une alarme sonore a été introduite dans l’Exemple 5.1.3 pour avertir d’une surtempérature - une autre raison pour la régulation automatique. Régulation automatique Une condition contrôlée peut être la température, la pression, l’humidité, le niveau ou le débit. Cela signifie que l’élément de mesure pourrait être un capteur de température, un transducteur ou un transmetteur de pression, un détecteur de niveau, un capteur d’humidité ou un capteur de débit.

La variable manipulée pourrait être la vapeur, l’eau, l’air, l’électricité, l’huile ou le gaz, tandis que l’élément de commande pourrait être une vanne, un registre, une pompe ou un ventilateur.

Aux fins de démonstration des principes de base, ce module se concentrera sur les vannes comme élément de commande et la température comme condition contrôlée, avec des capteurs de température comme élément de mesure. Composants d’une régulation automatique La Figure 5.1.4 illustre les parties constitutives d’un système de contrôle de base. Le capteur transmet un signal au contrôleur. Le contrôleur, qui peut recevoir des signaux de plusieurs capteurs, détermine si un changement est nécessaire dans la variable manipulée, en se basant sur ces signaux. Il commande ensuite à l’actionneur de déplacer la vanne vers une nouvelle position ; plus ouverte ou plus fermée selon le besoin.

Les contrôleurs sont généralement classés par les sources d’énergie qui les alimentent : électrique, pneumatique, hydraulique ou mécanique.

Un actionneur peut être considéré comme un moteur. Les actionneurs sont également classés par les sources d’énergie qui les alimentent, de la même manière que les contrôleurs. Les vannes sont classées par l’action qu’elles utilisent pour effectuer l’ouverture ou la fermeture de l’orifice d’écoulement, et par leurs configurations de corps, par exemple selon qu’elles comportent une tige coulissante ou un mouvement rotatif. Si les éléments du système sont combinés avec les parties (ou dispositifs) du système, la relation entre « Que faut-il faire ? » et « Comment le fait-il ? » peut être observée. Certains des termes utilisés peuvent ne pas encore être familiers. Cependant, dans les parties suivantes du chapitre 5, tous les composants et éléments individuels montrés sur le schéma précédent seront traités.