CONNAISSANCES DE BASE – CONTRÔLEUR PID
À quoi sert un contrôleur PID et comment fonctionne-t-il? Pendant des décennies, PID a été établi comme la forme la plus populaire de contrôle de processus – mais pourquoi est-ce? La réponse, comme expliqué dans cet article, est qu’il surmonte les lacunes des autres types de contrôle. L’explication comprend une discussion sur la façon dont les contrôleurs PID se rapportent à d’autres méthodes de contrôle, ce que les termes PID signifient et comment les contrôleurs fonctionnent.,
Une hiérarchie des systèmes de contrôle
Les systèmes de contrôle sont omniprésents dans les applications industrielles, médicales, militaires, automobiles, utilitaires et bien d’autres applications – et apparaissent parfois dans notre vie quotidienne., Cependant, ils sont de nombreux types, dont le contrôle PID n’est qu’un, bien que le plus sophistiqué. En conséquence, nous commençons par expliquer la hiérarchie du système de contrôle qui existe aujourd’hui et montrer comment le contrôle PID s’intègre dans cela. Ensuite, nous nous concentrons sur les contrôleurs PID et leur fonctionnement.
Contrôle en boucle ouverte – le type le plus basique. Par exemple, un tuyau d’arrosage, connecté à un robinet. Bien que le robinet puisse être actionné par un utilisateur pour réguler le débit d’eau, le tuyau n’a pas de mécanisme de rétroaction pour « fermer la boucle » pour une régulation automatique.,
Commande marche / arrêt ou « Bang-Bang » – il s’agit de la forme la plus simple de commande en boucle fermée, illustrée par un système de chauffage domestique avec un thermostat d’ambiance. Le thermostat compare la valeur mesurée de la température ambiante (MV) avec sa consigne (SP) telle que ajustée par son utilisateur. Le système utilise le retour MV pour fermer la boucle. Si la température est trop basse, il allume le chauffage central pour chauffer la pièce jusqu’à ce qu’elle atteigne la température SP. Si la température dépasse le SP, le chauffage sera éteint et, éventuellement, la climatisation sera démarrée pour un refroidissement actif.,
Les thermostats pratiques ont une hystérésis, ou bande morte. Cela pourrait généralement être de 4°C, donc pour une consigne de 20°C, le thermostat s’allume à 18°C et moins, et s’éteint à 22°C et plus. Cela expose les limites de la commande marche/arrêt; sans hystérésis, le thermostat commute en continu, ce qui peut provoquer une usure excessive et éventuellement un bruit audible intrusif. Inversement, si l’écart d’hystérésis est trop large, la température ambiante sera sous-optimale pendant la plupart du temps.,
De plus, dans certains systèmes industriels, une mise en marche soudaine et à pleine charge pourrait entraîner des problèmes de courants d’appel.
Le contrôle proportionnel est une méthode de contrôle continu qui offre des performances plus nuancées, robustes et de meilleure qualité que l’approche on/off relativement brute. Cependant, la conception et l’optimisation d’une boucle de contrôle pour une application particulière ne sont pas sans défis., Il est généralement souhaitable, voire essentiel, d’obtenir le temps de réponse le plus rapide possible et la plus grande précision en régime permanent, sans créer de risque d’instabilité. Une fois installée, la boucle doit maintenir ses performances optimales même dans des conditions de processus imprévisibles et changeantes.
Ci-dessous, nous examinons le fonctionnement des systèmes de contrôle proportionnel et comment leur performance peut être évaluée. Ensuite, nous présentons les concepts des fonctions Intégrale (I) et Dérivée (D), et expliquons leur rôle essentiel dans l’optimisation des performances de contrôle en boucle fermée pour les contrôleurs PID., Nous voyons comment les fonctions peuvent être réglées pour équilibrer au mieux le temps de réponse et la précision par rapport à la stabilité dans toutes les conditions.
Aujourd’hui, la plupart des contrôleurs proportionnels et PID sont implémentés soit en utilisant des microprocesseurs ou des microcontrôleurs intégrés, soit en tant que logiciel fonctionnant sur un PLC ou un système SCADA (supervisory control and data acquisition) plus grand. Cependant, il y a des exceptions. Les contrôleurs PID analogiques sont toujours utilisés pour les applications à bande passante élevée et à faible bruit, et des systèmes pneumatiques sont toujours disponibles .,
Notez que, quelle que soit la technologie du contrôleur PID, les variables d’entrée et de sortie sont généralement analogiques.
Dans cette configuration, la variable process est le paramètre système à contrôler, tel que la température, la pression ou le débit. Le capteur mesure cette variable et renvoie un signal correspondant, qui est généralement électrique dans un système de contrôle de processus moderne; typiquement, 4 – 20mA. Ceci est comparé à la valeur de consigne, qui pourrait être ajustée par un utilisateur comme dans l’exemple du thermostat., Cependant, dans un système industriel, il peut être réglé par un autre processus, ou par un programme de commande de contrôleur logique programmable (PLC).
Le résultat de cette comparaison est le signal d’Erreur, qui est utilisée par le contrôleur pour calculer sa sortie dans le processus. Le gain proportionnel (Kp) du contrôleur détermine le rapport de la réponse de sortie au signal d’erreur.
Dans tous les cas, la sortie du contrôleur est utilisée pour entraîner un actionneur – qui pourrait être un réchauffeur dans un processus industriel par exemple., En conséquence, à mesure que le processus chauffe vers le point de consigne, le signal d’erreur est réduit à mesure que sa température approche du niveau souhaité. Cependant, le contrôle proportionnel à lui seul ne peut pas fournir un contrôle parfaitement précis; il ne peut pas, à lui seul, éliminer complètement le signal d’erreur, car la sortie devient négligeable à mesure que le signal d’erreur approche de zéro. De plus, la sortie de l’actionneur n’est souvent pas la seule influence sur le système.
Par exemple, dans une chambre de température, il peut y avoir une source d’air frais qui souffle parfois dans la chambre et modifie la température., Ceci est appelé une perturbation. De plus, la réponse du système à une sortie de commande peut changer au fil du temps ou en réponse à une variable. Par exemple, une chambre partiellement remplie de fluide présentera une réponse beaucoup plus rapide à la sortie de l’appareil de chauffage lorsqu’elle est presque vide qu’elle ne le sera lorsqu’elle est presque pleine de fluide. Cela crée un système non linéaire dans lequel les paramètres de commande qui produisent une réponse souhaitée à un point de fonctionnement peuvent ne pas produire une réponse satisfaisante à un autre point de fonctionnement.,
Le temps mort, causé par des facteurs tels que les retards résultant de l’écoulement du fluide dans les tuyaux, peut être un autre problème. Par conséquent, les systèmes de contrôle devraient être conçus de manière à minimiser les effets des perturbations sur la variable de processus, les processus non linéaires et le temps mort.
Le contrôle processus de conception
Le contrôle processus de conception commence par définir les exigences de performance. Les performances du système de contrôle sont souvent mesurées en appliquant une fonction d’étape à l’entrée de point de consigne, puis en mesurant la réponse de la variable de processus., Ceci est généralement quantifié en mesurant des caractéristiques définies de forme d’onde.
Le temps de montée est la quantité de temps que le système prend pour passer de 10% à 90% de la valeur à l’état stationnaire, ou finale. Pourcentage de dépassement est le montant que la variable de procédé dépasse la valeur finale, exprimée en pourcentage de la valeur finale. Le temps de décantation est le temps nécessaire pour que la variable de processus se stabilise à un certain pourcentage (généralement 5%) de la valeur finale. L’erreur d’état stable est la différence finale entre la variable de processus et le point de consigne., Notez que la définition exacte de ces quantités variera dans l’industrie et le milieu universitaire.
Qu’est-ce qu’un contrôleur PID?
Nous allons maintenant examiner les effets de la variation de la composante proportionnelle de la sortie du contrôleur et de l’introduction de termes Intégraux (I) et Dérivés (V).
Si nous avons juste un contrôleur proportionnel (P), nous pouvons commencer par régler le gain Kp à une valeur modeste, telle que 10 (K est sans dimension). Après avoir appliqué l’entrée step, la sortie sera stable, mais s’approchera lentement de la valeur souhaitée., Si Kp est augmenté à, disons, 100, l’erreur d’état stationnaire et le temps de montée seront réduits – jusqu’à présent, si bon. Cependant, si nous augmentons Kp à 200, bien que le temps de montée et l’erreur d’état stationnaire soient encore réduits, un dépassement commence à apparaître.
À partir de là, une augmentation supplémentaire du Kp augmente simplement le dépassement, sans réduction supplémentaire du temps de montée ou de l’erreur d’état d’équilibre. Et le dépassement peut éventuellement devenir une oscillation sous-amortie, ce qui signifie que le système sera instable.,
La solution de l’industrie à cela a été d’ajouter des composants intégraux (I) et dérivés (V) à la sortie proportionnelle (P) du contrôleur, pour construire un contrôleur PID.
La partie Intégrante sommes le terme d’erreur au cours du temps. Le résultat est que même un petit terme d’erreur entraînera une augmentation lente de la composante intégrale. La réponse intégrale augmentera continuellement au fil du temps à moins que l’erreur ne soit nulle, de sorte que l’effet est de conduire l’erreur d’état stable à zéro., Un phénomène appelé liquidation intégrale se produit lorsque l’action intégrale sature un contrôleur sans que le contrôleur ne conduise le signal d’erreur vers zéro.
Bien que l’action intégrale puisse éliminer l’erreur d’état stationnaire, elle peut fortement contribuer au dépassement de sortie du contrôleur et à l’instabilité possible. Néanmoins, le contrôle PI peut convenir à certains processus, où la vitesse du système n’est pas importante. Cependant, lorsque l’instabilité est un problème potentiel, la solution consiste à implémenter un contrôleur PID en ajoutant un composant dérivé.,
Les composantes dérivées agissent sur le taux de changement du signal d’erreur. Plus l’erreur change ou plus le temps dérivé est long, plus le facteur dérivé devient important. Cela a pour effet de contrecarrer le dépassement causé par P et I. Lorsque l’erreur est importante, le P et le I pousseront la sortie du contrôleur. Cette réponse du contrôleur fait changer l’erreur rapidement, ce qui provoque à son tour la dérivée pour contrer le P et le I plus agressivement. Un dérivé correctement utilisé permet des facteurs proportionnels et intégraux plus agressifs., Un temps dérivé plus grand rend le dérivé plus agressif amortir P et I.
Regardez aussi cette vidéo pour obtenir le contrôleur PID expliqué!
Réglage d’un contrôleur PID
L’établissement de la combinaison optimale des paramètres P,I et D pour une boucle de contrôle spécifique se fait par réglage – et trois approches de réglage sont possibles: manuelle, heuristique (« Règle empirique ») et automatisée.
Le réglage manuel PID se fait en réglant le temps de réinitialisation (intégrale) à sa valeur maximale et le taux (Dérivé) à zéro, et en augmentant le gain jusqu’à ce que la boucle oscille à une amplitude constante., (Lorsque la réponse à une correction d’erreur se produit rapidement un gain plus grand peut être utilisé. Si la réponse est lente, un gain relativement faible est souhaitable). Ensuite, réglez le gain du contrôleur PID sur la moitié de cette valeur et ajustez le temps de réinitialisation afin qu’il corrige tout décalage dans une période acceptable. Enfin, augmentez le débit de la boucle PID jusqu’à ce que le dépassement soit minimisé
Les deux méthodes heuristiques de réglage d’un contrôleur PID de Zeigler et Nichols ont été publiées pour la première fois en 1942., Ceux-ci fonctionnent en appliquant un changement d’étape au système et en observant la réponse résultante. La première méthode consiste à mesurer le décalage ou le retard en réponse, puis le temps nécessaire pour atteindre la nouvelle valeur de sortie. La seconde dépend de l’établissement de la période d’une oscillation à l’état stable. Dans les deux méthodes, ces valeurs sont ensuite entrées dans une table pour dériver les valeurs de gain, de temps de réinitialisation et de débit pour le contrôleur PID.
La plupart des contrôleurs PID vendus aujourd’hui intègrent des fonctions de réglage automatique. Les détails de fonctionnement varient selon les fabricants, mais tous suivent des règles similaires à celles décrites ci-dessus., Essentiellement, le contrôleur PID « apprend » comment le processus réagit à une perturbation ou à un changement de point de consigne, et calcule les paramètres PID appropriés.
Les régulateurs de température OMEGA Platinum Series sont des exemples d’appareils dotés d’une fonction de réglage automatique.
Quels sont les paramètres de réglage PID? Retrouvez les réponses dans cette vidéo!
Conception de systèmes de contrôle basés sur PID – à partir de votre ordinateur
L’ensemble d’outils LabVIEW de NI comprend une grande variété d’instruments virtuels (VIS) qui aident grandement à la conception d’un système de contrôle basé sur PID ., Les vis PID permettent le développement d’algorithmes proportionnels (P), proportionnels-intégraux (PI), proportionnels-dérivés (PD) et proportionnels-intégraux-dérivés (PID).
Conclusion
Dans cet article, nous avons vu comment les contrôleurs PID peuvent être utilisés pour optimiser les boucles de contrôle pour le temps de réponse, la précision et la stabilité dans toutes les conditions de processus – et comment les termes I et D fournissent un niveau de contrôlabilité impossible avec le terme proportionnel seul.