Boucles de contrôle et dynamique

Une explication de chaque composant d’un système de contrôle, incluant les vannes, actionneurs, capteurs et contrôleurs ; ainsi qu’une introduction aux méthodes de régulation et à la dynamique des systèmes, incluant les boucles de contrôle simples et les systèmes à rétroaction.

Que sont les boucles de contrôle ?

Ce module introduit la discussion sur les systèmes de contrôle complets, composés de la vanne, de l’actionneur, du capteur, du contrôleur et de la dynamique du processus lui-même. Boucles de contrôle

Un système de contrôle en boucle ouverte

Le contrôle en boucle ouverte signifie simplement qu’il n’y a pas de rétroaction directe depuis la condition contrôlée ; en d’autres termes, aucune information n’est renvoyée depuis le processus ou le système contrôlé pour indiquer au contrôleur qu’une action corrective est nécessaire. Le système de chauffage montré dans la Figure 5.3.1 illustre ceci en utilisant un capteur à l’extérieur de la pièce chauffée. Le système montré dans la Figure 5.3.1 n’est pas un exemple de système de contrôle de chauffage pratique ; il est simplement utilisé pour dépeindre le principe du contrôle en boucle ouverte.

Le système se compose d’un contrôleur proportionnel avec un capteur extérieur mesurant la température ambiante. Le contrôleur pourrait être réglé avec une bande proportionnelle assez large, de sorte qu’à une température ambiante de -1°C la vanne est entièrement ouverte, et à une température ambiante de 19°C la vanne est entièrement fermée. Comme la température ambiante aura un effet sur les pertes de chaleur du bâtiment, on espère que la température de la pièce sera contrôlée.

Cependant, il n’y a aucune rétroaction concernant la température de la pièce et le chauffage dû à d’autres facteurs. En temps doux, bien que le débit d’eau soit contrôlé, d’autres facteurs, tels qu’un gain solaire élevé, pourraient provoquer une surchauffe de la pièce. En d’autres termes, le contrôle ouvert tend à ne fournir qu’un contrôle grossier de l’application. La Figure 5.3.2 dépeint un système de contrôle légèrement plus sophistiqué avec deux capteurs.

Le système utilise une vanne de mélange trois voies avec un actionneur, un contrôleur et un capteur de température extérieure, plus un capteur de température dans la conduite d’eau.

Le capteur de température extérieure fournit une entrée de point de consigne distant au contrôleur, qui est utilisée pour décaler le point de consigne de la température de l’eau. De cette manière, le contrôle en boucle fermée s’applique à la température de l’eau circulant dans les radiateurs. Par temps froid, l’eau circule dans le radiateur à sa température maximale. À mesure que la température extérieure augmente, le contrôleur réduit automatiquement la température de l’eau circulant dans les radiators. Cependant, il s’agit toujours d’un contrôle en boucle ouverte en ce qui concerne la température de la pièce, car il n’y a pas de rétroaction du bâtiment ou de l’espace chauffé. Si les radiateurs sont surdimensionnés ou si des erreurs de conception se sont produites, une surchauffe se produira quand même.

Contrôle en boucle fermée

Tout simplement, un contrôle en boucle fermée nécessite une rétroaction ; des informations renvoyées directement depuis le processus ou le système. En utilisant le simple système de chauffage montré dans la Figure 5.3.3, l’ajout d’un capteur de température intérieure de l’espace détectera la température de la pièce et fournira un contrôle en boucle fermée par rapport à la pièce. Dans la Figure 5.3.3, la vanne et l’actionneur sont contrôlés via un capteur de température de l’espace dans la pièce, fournissant une rétroaction de la température réelle de la pièce.

Perturbations

Les perturbations sont des facteurs qui entrent dans le processus ou le système pour perturber la valeur du milieu contrôlé. Ces perturbations peuvent être causées par des changements de charge ou par des influences extérieures. Par exemple ; si dans un simple système de chauffage, une pièce était soudainement remplie de personnes, cela constituerait une perturbation, car cela affecterait la température de la pièce et la quantité de chaleur nécessaire pour maintenir la température souhaitée de l’espace.

Contrôle par rétroaction

C’est un autre type de contrôle en boucle fermée. Le contrôle par rétroaction tient compte des perturbations et renvoie cette information au contrôleur, pour permettre une action corrective. Par exemple, si un grand nombre de personnes entrent dans une pièce, la température de l’espace augmentera, ce qui incitera alors le système de contrôle à réduire l’apport de chaleur dans la pièce.

Contrôle par anticipation

Avec le contrôle par anticipation, les effets de toute perturbation sont anticipés et pris en compte avant que l’événement ne se produise réellement. Un exemple de ceci est de mettre la chaudière à haute puissance avant de mettre en service une grande installation de processus utilisant la vapeur. La séquence d’événements pourrait être que l’installation de processus est mise en marche. Cette action, plutôt que d’ouvrir la vanne de vapeur vers le processus, ordonne au brûleur de la chaudière de passer à haute puissance. Ce n’est que lorsque la position haute puissance est atteinte que la vanne de vapeur du processus est autorisée à s’ouvrir, et ce de manière lente et contrôlée.

Contrôle en boucle simple

C’est la boucle de contrôle la plus simple impliquant une seule variable contrôlée, par exemple, la température. Pour expliquer ceci, un échangeur de chaleur vapeur-eau est considéré comme montré dans la Figure 5.3.4.

La seule variable contrôlée dans la Figure 5.3.4 est la température de l’eau quittant l’échangeur de chaleur. Ceci est réalisé en contrôlant la vanne de vapeur deux voies alimentant l’échangeur de chaleur. Le capteur primaire peut être un thermocouple ou un thermomètre à résistance de platine PT100 mesurant la température de l’eau.

Le contrôleur compare le signal du capteur au point de consigne du contrôleur. S’il y a une différence, le contrôleur envoie un signal à l’actionneur de la vanne, qui à son tour déplace la vanne vers une nouvelle position. Le contrôleur peut également inclure un indicateur de sortie, qui montre le pourcentage d’ouverture de la vanne. Les boucles de contrôle simples fournissent la grande majorité du contrôle pour les systèmes de chauffage et les processus industriels. D’autres termes utilisés pour les boucles de contrôle simples incluent :

• Contrôle de valeur de consigne
• Contrôle en boucle simple fermée.
• Contrôle par rétroaction.

Contrôle multi-boucles

L’exemple suivant considère une application pour un produit à base de bois à déplacement lent, qui doit être contrôlé à un niveau d’humidité spécifique (voir Figures 5.3.5 et 5.3.6).

Dans la Figure 5.3.5, le seul capteur d’humidité à la fin du convoyeur contrôle la quantité de chaleur ajoutée par le four. Mais si le débit de pulvérisation d’eau change en raison, par exemple, de fluctuations de la pression d’alimentation en eau, il faudra peut-être 10 minutes avant que le produit n’atteigne l’extrémité du convoyeur et que le capteur d’humidité réagisse. Cela provoquera des variations de la qualité du produit.

Pour améliorer le contrôle, un second capteur d’humidité sur une autre boucle de contrôle peut être installé immédiatement après la pulvérisation d’eau, comme montré dans la Figure 5.3.6. Ce capteur d’humidité fournit une entrée de point de consigne distant au contrôleur qui est utilisée pour décaler le point de consigne local. Le point de consigne local est réglé sur l’humidité requise après le four. Ceci, sous une forme simple, illustre le contrôle multi-boucles. Ce système de contrôle d’humidité se compose de deux boucles de contrôle :

• La boucle 1 contrôle l’ajout d’eau.
• La boucle 2 contrôle l’élimination de l’eau. Dans ce processus, des facteurs influenceront les deux boucles. Certains facteurs tels que la pression de l’eau affecteront les deux boucles. La boucle 1 essaiera de corriger cela, mais toute erreur résultante aura un impact sur la boucle 2.

Contrôle en cascade

Lorsque deux variables indépendantes doivent être contrôlées avec une seule vanne, un système de contrôle en cascade peut être utilisé. La Figure 5.3.7 montre un récipient à chemise de vapeur rempli de produit liquide. Les aspects essentiels du processus sont assez rigoureux :

• Le produit dans le récipient doit être chauffé à une certaine température.
• La vapeur ne doit pas dépasser une certaine température sinon le produit pourrait être détérioré.
• La température du produit ne doit pas augmenter plus rapidement qu’un certain taux sinon le produit pourrait être détérioré. Si un contrôle normal en boucle simple était utilisé avec le capteur dans le liquide, au début du processus le capteur détecterait une basse température, et le contrôleur signalerait à la vanne de se déplacer vers la position entièrement ouverte. Cela entraînerait un problème causé par une température excessive de la vapeur dans la chemise.

La solution est d’utiliser un contrôle en cascade utilisant deux contrôleurs et deux capteurs :

• Un contrôleur esclave (Contrôleur 2) et un capteur surveillant la température de la vapeur dans la chemise, et émettant un signal vers la control valve.
• Un contrôleur maître (Contrôleur 1) et un capteur surveillant la température du produit avec la sortie du contrôleur dirigée vers le contrôleur esclave.
• Le signal de sortie du contrôleur maître est utilisé pour faire varier le point de consigne dans le contrôleur esclave, garantissant que la température de la vapeur n’est pas dépassée. Exemple 5.3.1 Un exemple de contrôle en cascade appliqué à un récipient de processus La température du liquide doit être chauffée de 15°C à 80°C et maintenue à 80°C pendant deux heures. La température de la vapeur ne doit pas dépasser 120°C en aucune circonstance. La température du produit ne doit pas augmenter plus rapidement que 1°C/minute. Le contrôleur maître peut être programmé en rampe de sorte que le taux d’augmentation de la température de l’eau ne soit pas plus élevé que celui spécifié. Le contrôleur maître est réglé en mode action indirecte, de sorte que son signal de sortie au contrôleur esclave est de 20 mA à basse température et de 4 mA à haute température. Le point de consigne distant sur le contrôleur esclave est réglé de sorte que son signal de sortie vers la vanne soit de 4 mA lorsque la température de la vapeur est de 80°C, et de 20 mA lorsque la température de la vapeur est de 120°C. De cette manière, la température de la vapeur ne peut pas être plus élevée que celle tolérée par le système, et la pression de vapeur dans la chemise ne peut pas être plus élevée que la pression de saturation de 1 bar g à 120°C.

Dynamique du processus

C’est un sujet très complexe mais cette partie du texte couvrira les considérations les plus élémentaires. Le terme « constante de temps », qui traite de la définition du temps requis pour le mouvement de l’actionneur, a déjà été décrit dans le Module 5.1 ; mais pour répéter, c’est le temps nécessaire à un système de contrôle pour atteindre approximativement les deux-tiers de son mouvement total à la suite d’un changement échelon donné de température, ou d’une autre variable. D’autres parties du système de contrôle auront des réponses temporelles similaires - le contrôleur et ses composants et le capteur lui-même. Tous les instruments ont un retard entre l’entrée de l’instrument et sa sortie subséquente. Même le système de transmission aura un retard - ce n’est pas un problème avec les systèmes électriques/électroniques mais c’est un facteur qui peut nécessiter d’être pris en compte avec les systèmes de transmission pneumatiques. Les Figures 5.3.8 et 5.3.9 montrent quelques retards de réponse typiques pour un thermocouple qui a été installé dans un thermopuits pour mesurer la température de l’eau.

Outre les retards dans la réponse du capteur, d’autres parties du système de contrôle affectent également le temps de réponse. Avec les systèmes pneumatiques et auto-régulants, le mouvement de la vanne/de l’actionneur tend à être fluide et, dans un contrôleur proportionnel, directement proportionnel à l’écart de température au niveau du capteur.

Avec un actionneur électrique, il y a un retard dû au temps nécessaire au moteur pour déplacer la liaison de commande. Parce que le signal de commande est une série d’impulsions, le moteur fournit des à-coups de mouvement suivis de périodes où l’actionneur est stationnaire. Le diagramme de réponse (Figure 5.3.10) illustre ceci. Cependant, en raison des retards dans la réponse du processus, la température contrôlée finale peut toujours être régulière.

Les systèmes de contrôle couverts dans ce module n’ont considéré que les conditions de régime permanent. Cependant, le processus ou l’installation sous contrôle peut être soumis à des variations suivant un certain schéma de comportement. Le système de contrôle doit faire en sorte que le processus se comporte de manière prévisible. Si le processus est celui qui change rapidement, alors le système de contrôle doit être capable de réagir rapidement.

Si le processus subit des changements lents, les exigences sur la vitesse de fonctionnement du système de contrôle ne sont pas aussi strictes. Beaucoup est documenté sur le comportement statique et dynamique des contrôleurs et des systèmes de contrôle - sensibilité, temps de réponse, etc. Le facteur le plus important à considérer est probablement le retard de la boucle de contrôle complète. La dynamique du processus nécessite une considération pour sélectionner le bon type de contrôleur, de capteur et d’actionneur.

Réactions du processus

Ces caractéristiques dynamiques sont définies par la réaction du processus à un changement soudain des paramètres de contrôle, connu sous le nom d’entrée échelon. Cela pourrait inclure un changement immédiat de la température de consigne, comme montré dans la Figure 5.3.11. La réponse du système est dépeinte dans la Figure 5.3.12, qui montre un certain temps mort avant que la température du processus ne commence à augmenter. Ce temps mort est dû au retard de contrôle causé par des éléments tels qu’un actionneur électrique se déplaçant vers sa nouvelle position. La constante de temps différera selon la réponse dynamique du système, affectée par des éléments tels que le fait que le capteur soit ou non logé dans un thermopuits.

La réponse de deux processus quelconques peut avoir des caractéristiques différentes en raison du système.

Les effets du temps mort et de la constante de temps sur la réponse du système à un changement soudain d’entrée sont illustrés graphiquement dans la Figure 5.3.12. Les systèmes qui ont un taux de réponse initial rapide aux changements d’entrée sont généralement désignés comme ayant une réponse du premier ordre. Les systèmes qui ont un taux de réponse initial lent aux changements d’entrée sont généralement désignés comme ayant une réponse du second ordre. Un aperçu des types de base de réponse du processus (effets du temps mort, réponse du premier ordre et réponse du second ordre) est montré dans la Figure 5.3.13.