Rôle des actions dans la boucle fermée

Régulation en boucle fermée

Autres appellations : Boucle fermée simple. Régulation à posteriori Feedback control

Principe 
Dans ce type de régulation, l’action correctrice s’effectue après que les effets des grandeurs perturbatrices aient produit un écart entre la mesure et la consigne. Cet écart peut être également provoqué par un changement de consigne. Dans les deux cas, le rôle de la boucle fermée est d’annuler l’écart.

Choix du sens d’action du régulateur 
Le choix du sens d’action du régulateur est fonction du sens d’action du régulateur est fonction du sens d’action de l’ensemble vanne positionneur et du sens de variation de la grandeur réglée par rapport à la grandeur réglante. Le sens d’action d’un ensemble vanne positionneur est direct si la vanne s’ouvre lorsque le signal de commande augmente et inverse dans le sens contraire. Dans le cas de la figure précédente, lorsque la température Ts augmente (suite à une diminution de charge par exemple) et s’écarte du point de consigne, l’ensemble vanne positionneur étant direct, la sortie du régulateur TIC doit diminuer pour baisser le débit de vapeur. Le régulateur est de sens inverse.

Rôle des actions dans la boucle fermée

Rôle de l’action proportionnelle ( P )
Le rôle de l’action proportionnelle est d’accélérer la réponse de la mesure, ce qui a pour conséquence de réduire l’écart entre la mesure et la consigne.
L’étude de l’action proportionnelle sur un système naturellement stable en boucle fermée, montre que lors d’un changement de consigne, le régime permanent atteint un écart résiduel. Une augmentation de Gr, accélère la réponse du procédé, provoque une diminution de l’écart résiduel , mais rend la mesure de plus en plus oscillatoire. La valeur optimale de Gr est celle qui donne la réponse la plus rapide, avec un bon amortissement ( ne dépassant pas 15 % ).l’étude de l’action proportionnelle sur un procédé instable (aussi appelé intégrateur) , montre que lors d’une variation de consigne, la mesure rejoint la consigne , la mesure rejoint la consigne dans tous les cas. Lors d’une perturbation, la mesure s’écarte de la consigne, la régulation proportionnelle tend à la ramener tout en laissant subsister un écart résiduel , lorsque le régime permanent est atteint.

Rôle de l’action Intégrale
Le rôle de l’action intégrale est d’annuler l’écart entre la mesure et la consigne. Le signal de sortie du régulateur en intégrateur seul est proportionnel à l’intégrale de l’écart mesure-consigne.
L’action intégrale est généralement associée à l’action proportionnelle. Comme dans le cas de l’action proportionnelle, une augmentation excessive de l’action intégrale (diminution de Ti) peut être source d’instabilité. L’étude de l’action intégrale sur un système stable est donnée par les figures suivantes pour un test en asservissement et un autre en régulation. Le comportement de l’action intégrale sur un procédé instable, est sensiblement le même que sur un procédé stable. Il faut noter que l’action intégrale est nécessaire pour annuler l’écart, suite à des perturbations. Lors de changement de consigne, son intérêt est moindre car l’écart s’annule naturellement du fait que le procédé est lui même intégrateur. Dans ce cas l’action intégrale donne une réponse plus rapide qu’en régulation à action proportionnelle seule.

Rôle de l’action dérivée 
Le rôle de l’action dérivée est de compenser les effets du temps mort (retard) du procédé. Elle a un effet stabilisateur mais une valeur excessive peut entraîner l’instabilité. Son rôle est identique quelle que soit la nature du procédé. La sortie du dérivateur est proportionnelle à la vitesse de variation de l’écart. Notons que l’action dérivée ne peut pas être utilisée seule. L’étude de l’action dérivée sur un système stable est donnée par les figures suivantes pour un test en asservissement et un autre en régulation. Dans le cas d’un signal de mesure bruité, la dérivée amplifie le bruit, ce qui rend son utilisation délicate ou impossible. La solution à ce problème consiste, soit à filtrer le signal de mesure, soit à utiliser un module de dérivée filtrée avec un gain transitoire réglable. Dans tous les algorithmes PID, la dérivée est filtrée, mais la valeur du filtre (gain transitoire), est rarement réglable sur les régulateurs monoblocs ; elle l’est parfois, sur les modules PID des systèmes numériques.

Méthodes de réglage des actions

Avant de commencer les réglages d’une boucle de régulation, il faut s’assurer que le sens d’action du régulateur est correct. Nous rappelons que quelle que soit la méthode de réglage utilisée, les réglages ne sont adaptés qu’au point de fonctionnement. Il existe différentes méthodes de réglage des actions d’un régulateur P.I.D. suivant le type de procédé et les contraintes de fabrication on choisira l’une des méthodes.
Méthode par approches successives
Elle consiste à modifier les actions du régulateur et à observer les effets sur la mesure enregistrée, jusqu’à obtenir la réponse optimale. On règle l’action proportionnelle, puis l’action dérivée et l’intégrale. Cette technique présente l’intérêt d’être simple et utilisable sur n’importe quel type de système. Néanmoins du fait de son caractère itératif, son application devient longue sur des procédés à grande inertie.
Méthode nécessitant l’identification du procédé
Si l’on connaît les paramètres du procédé, suite à une modélisation de sa fonction de transfert réglante, et si l’on est en possession de la structure du régulateur. Il est alors possible de calculer rapidement les paramètres de réglage qu’on pourra affiner suite à des essais, afin d’obtenir la réponse souhaitée. Cette méthode nécessite un enregistreur à déroulement rapide. Elle est de préférence utilisée sur des procédés à grande inertie.
 Méthode de Ziegler et Nichols
Elle nécessite l’observation de la réponse du procédé et la connaissance de la structure du régulateur. C’est une méthode qui permet le calcul des actions, sans la détermination des paramètres du procédé.